ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND ENGINE

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано как двигатель для приведения в действие электрогенератора и выработки электроэнергии с использованием наиболее экологически безопасного источника - энергии ветра.
Известна схема ветродвигателя карусельного типа с вертикальной осью вращения ветровой турбины, описание которого имеется в источнике [1] на стр.80, рис.38. В этой схеме нерабочие лопасти ветровой турбины располагаются ребром к направлению ветра или в зоне, отделенной от ветрового потока ширмой направляющего устройства. Достоинством этой схемы по сравнению с другими схемами ветродвигателей является возможность создания простой симметричной конструкции, которая работает независимо от направления ветра и не требует специальных устройств, предназначенных для пространственной установки ветровой турбины в зависимости от направления ветра. В указанном источнике сообщается, что недостатком карусельной схемы является сравнительно низкое предельное значение коэффициента использования энергии ветрового потока (ξ=0,192).
Известен ветродвигатель с вращением ротора вокруг вертикальной оси по описанию к патенту [2]. В данном двигателе цилиндрический корпус турбины выполнен в виде полого внутри барабана, с вертикальными элементами, которые установлены на боковой поверхности барабана и выполнены в виде лопастей, конструктивно представляющих собой часть цилиндрической трубы. Лопасти расположены выпуклостью по ходу вращения ротора. Ветродвигатель снабжен неподвижным направляющим воздушный поток аппаратом - статором, внутри которого размещена турбина (ротор). Статор содержит круглые жесткие основания - верхнее и нижнее, между которыми установлены направляющие воздушный поток лопатки. Двигатель может быть выполнен как многомодульный, состоящей из нескольких идентичных ветродвигателей, соединенных друг с другом валами и расположенных этажами вертикально один над другим. Как и у предыдущего аналога недостатком данного технического решения является сравнительно низкое значение коэффициента использования энергии ветрового потока, который, как это показано в [1] на стр.85 у обычных ветродвигателей карусельного типа зависит от площади лопасти и мало зависит от формы лопасти.
Наиболее близким аналогом изобретения по совокупности существенных признаков является техническое решение ветродвигателя по описанию к патенту [3]. Данное техническое решение принимается за прототип изобретения. В прототипе ветровая турбина с вертикальной осью вращения содержит профилированные лопасти двух типов (четные и нечетные), образующие осесимметричную систему лопастей, причем четные лопасти размещены с зазором относительно оси вращения, что обеспечивает дополнительный реактивный момент на оси за счет центростремительного перетекания воздуха из наветренного межлопастного пространства в прилежащее к нему заветренное. Устройство-прототип снабжено направляющей системой, выполненной в виде вертикальных неподвижных осесимметричных направляющих створок, укрепленных между верхней и нижней крышками, которые имеют форму круга и снабжены в периферийной части полым усеченным конусом. Недостатком данного аналога является сравнительно малая площадь проходного сечения между четной и нечетной лопастями, которая определяется величиной указанного выше зазора. В этой связи реактивный момент, обеспечивающий увеличение коэффициента использования энергии ветрового потока имеет пренебрежительно малое значение. Увеличение же зазора имеет своим следствием уменьшение эффективной площади четной лопатки, что неизбежно приведет к некомпенсированному уменьшению вращающего момента турбины. Таким образом, аналог-прототип не обладает существенно большей эффективностью по сравнению с указанными предыдущими аналогами.
Изобретение имеет своей целью усовершенствование конструкции ветродвигателя с вертикальной осью вращения турбины. При использовании изобретения достигается совокупность двух полезных технических результатов:
1. Увеличивается момент, развиваемый ветродвигателем при малых частотах вращения турбины
2. Увеличивается коэффициент использования энергии ветрового потока.
Сущность изобретения заключается в следующем: ветродвигатель карусельного типа с вертикальной осью вращения, содержащий вертикальный вал, на котором укреплена турбина, выполненная в виде центрального барабана с идентичными лопастями, в количестве не менее четырех, турбина размещена в неподвижном осесимметричном направляющем аппарате-статоре, который снабжен вертикальными неподвижными створками, расположенными между верхней и нижней крышками с возможностью обеспечения концентрации и направления ветрового потока с наветренной стороны тангенциально на рабочую лопасть турбины и отвода вытесняемого этой лопастью воздуха в заветренное пространство, согласно изобретению, отличается от прототипа тем, что он дополнительно снабжен воздушным эжектором с которым сообщается одна из торцевых частей турбины, причем размер лопасти по линии контакта ее с центральным барабаном превышает ее радиальный размер, а вся рабочая поверхность лопасти или ее отдельные участки выполнены наклонными по ходу ветрового потока относительно оси вращения турбины.
На Фиг1. схематически изображено устройство ветродвигателя в разрезе по оси турбины. На Фиг.2 изображено устройство ветродвигателя в сечении А-А. На Фиг.3 изображено устройство ветродвигателя в сечении Б-Б.
Ветродвигатель (Фиг.1) содержит вертикальный вал (1) на котором укреплен центальный барабан (2) с лопастями (3) в количестве не менее четырех. Количество лопастей определяется коэффициентом быстроходности турбины и зависит от расчетного соотношения момента и угловой скорости, развиваемых турбиной при заданной скорости ветрового потока. Лопасти (3) в простейшем случае выполнены плоскими и укреплены на барабане (2) с наклоном, обеспечивающим отклонение ветрового потока в сторону эжектора (4). Лопасти (3) могут быть выполнены выпуклыми в сторону движения, т.е. по ходу ветрового потока, как это показано на Фиг.1, что обеспечит улучшение их аэродинамического качества. Более функциональная форма лопастей (3) предусматривает более сложный профиль, обеспечивающий наилучшее распределение ветрового потока в аксиальном и тангенциальном направлениях с точки зрения отбора от него полезной мощности на турбину. Наилучшая форма, количество и расположение лопастей определяются аэродинамическим расчетом, с учетом номинальной скорости ветрового потока, но, во всяком случае, размер лопасти по линии контакта ее с центральным барабаном превышает ее радиальный размер, а вся рабочая поверхность лопасти или ее отдельные участки выполнены наклонными по ходу ветрового потока относительно оси вращения турбины. В соответствии с Фиг.1 проточный воздушный эжектор (4) может быть выполнен как система вертикальных и горизонтальных стенок-перегородок, обеспечивающих увеличение скорости ветрового потока в зоне, сообщающейся с торцевой частью турбины, т.е. по существу в частном случае эжектор может быть выполнен как одна из известных конструкций дефлектора [4]. Сущности изобретения также не противоречит использование эжектора иной конструкции, в т.ч. активного типа, т.е. создающего понижение статического давления воздуха (пьезометроического напора) в указанной зоне за счет каких либо источников энергии, использование которых представляется оправданным по экономическим или иным причинам. Направляющий аппарат-статор (5) выполнен как осесимметричная конструкция в виде системы вертикальных и горизонтальных перегородок, обеспечивающих, независимо от направления ветра, с наветренной стороны ветродвигателя концентрацию ветрового потока и направление его тангенциально на рабочую лопасть турбины и обеспечивающих отвод вытесняемого этой лопастью воздуха в заветренное пространство
Ветродвигатель работает следующим образом. Ветровой поток с помощью направляющего аппарата-статора (5) подается на рабочую лопасть (3). При этом на наветренной стороне рабочей лопасти (3) имеется избыточный полный напор (давление) по отношению, как к заветренной стороне, так и к зоне эжектора (4), сообщающегося с торцевой части турбины. Действующая на лопасть (3) неуравновешенная сила приводит к возникновению вращающего момента на валу турбины.
Сущность изобретения связана с заявленными техническими результатами соответственно следующим образом:
1. В момент запуска турбины, т.е. когда она еще неподвижна или вращается с малой частотой, обеспечивается значительный проток воздуха через турбину, за счет всасывания его эжектором (4) в осевом направлении. При этом за счет наклона лопастей (3) воздух уходит в эжектор (4) и скоростной напор воздуха на входе в турбину из направляющего аппарата-статора (5) лишь частично преобразуется в пьезометрический напор. Изменение направления движения воздуха, осуществляемое лопастью (3) турбины приводит к возникновению на лопасти реактивной силы, которая совместно с тангенциальной силой, вызванной пьезометрическим напором обеспечивают вращающий момент турбины. В целом, энергетически технический результат увеличения пускового момента и момента движения на малых оборотах обеспечивается тем, что для преобразования энергии ветрового потока дополнительно используется энергетическое действие эжектора.
2. Доля преобразования скоростного напора воздуха в пьезометрический уменьшается при вращении турбины, т.к. начинается дополнительный проток воздуха в тангенциальном направлении. Таким образом, конструкция, в отличие от аналогов, в большей степени использует скоростной напор ветра, что позволяет с помощью направляющего аппарата-статора (5) концентрировать ветровой поток, т.е. эффективно использовать площадь входного прямоугольного отверстия направляющего аппарата-статора (5), образованного вертикальными и горизонтальными перегородками. В устройствах-аналогах, т.е. ветродвигателях карусельного типа, используется в основном пьезометрический напор, увеличение которого за счет направляющего аппарата в соответствии с законами аэродинамики не реализуется. Это обстоятельство в совокупности с энергетическим действием эжектора (4) обеспечивает увеличение коэффициента использования энергии ветрового потока.
Источники информации:
1. Е.М. Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: «Огиз-сельхозгиз», 1948,
2. Патент RU №2294452 опубл. 27.02.2007 г.
3. Патент RU 2399789 опубл. 20.09.2010 г.
4. Мусатов Б.Т. Вентиляционные дефлекторы // Технические заметки. - М.: ЦАГИ, 1936. - №123.