ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА WR
WR POWER GENERATION PLANT

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам, содержащим многоярусную турбину с вертикальной осью вращения, и может быть использовано в качестве автономного источника энергии, в частности, на зданиях, имеющих достаточную высоту.
Известна вихревая электростанция (патент РФ №2070661, кл. F03D 3/02 от 25.07.1994), содержащая несколько генераторов вихря с вертикальной осью вращения, в прорези каждого из которых воздушный поток поступает через раструбы устройств формирования ветровых потоков, захватывающих весь воздушный поток по их высоте и ширине со стороны направления ветра.
К недостаткам данного устройства можно отнести замкнутость конструкции электростанции, не обеспечивающую эффективность использования ветрового потока и, как следствие, снижение КПД установки. Кроме того, данную конструкцию трудно отбалансировать, что ведет к повышенному уровню вибрации.
Также известен ветродвигатель (патент РФ №2074980, кл. F03D 3/04 от 08.02.1994), содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью, расположенную внутри системы ветронаправляющих экранов, каждый из которых непосредственно ориентирован на лопасть ветротурбины, причем крайние положения экрана определяют размер лопасти ветротурбины.
Известный ветродвигатель имеет сложную и ненадежную конструкцию из-за необходимости создания вращающихся ветронаправляющих экранов, а также повышенный уровень вибрации.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению является энергетическая установка "ВИНДРОТОР" (патент РФ №52120, кл. F03D 3/02 от 10.11.2006), содержащая многоярусную турбину с вертикальной осью вращения, каждый ярус которой выполнен в виде неподвижного устройства формирования ветрового потока с установленной в нем вращающейся турбиной с лопастями, представляющими собой часть поверхности цилиндра. Лопасти установлены по окружности и в сечении имеют параболическую форму и прикреплены к маховикам. Устройство формирования ветрового потока содержит лопасти, прикрепленные к основаниям и выполненные в виде одного листа, представляющие собой два участка, один из которых имеет форму кольцевого сектора, а второй участок - прямой.
Согласно изобретению соотношение диаметра турбины к диаметру устройства формирования ветрового потока находится в интервале 1,31÷3,00, а турбина и устройство формирования ветрового потока имеют, по меньшей мере, по восемь лопастей.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном устройстве не используется в полной мере энергия ветра и, следовательно, снижается КПД установки, а также отсутствие устройств, защищающих ротор от разрушения при превышении предельной частоты вращения.
Задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в разработке ветроэнергетической установки, лишенной вышеизложенных недостатков, обеспечивающей повышение КПД установки, ее надежности и снижение уровня вибрации.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной энергетической установке, содержащей электрогенератор, соединенный с имеющей вертикальную ось вращающейся турбиной с профилированными лопастями, установленными по окружности турбины, которая размещена внутри неподвижного устройства формирования ветрового потока, представляющего собой цилиндрическую систему с направляющими лопастями, установленными по окружности устройства, причем устройство формирования ветрового потока с размещенной в нем турбиной выполнено в виде нескольких установленных друг на друга и механически соединенных между собой ярусов, в каждом из которых турбина снабжена верхним и нижним маховиками, к которым прикреплены лопасти турбины, устройство формирования ветрового потока снабжено верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти, в центральной части каждого яруса турбины размещена прикрепленная к верхнему и нижнему маховикам полая труба, причем отношение внешнего диаметра турбины к диаметру полой трубы находится в интервале 1,5÷2,5, при этом лопасти устройства формирования ветрового потока в поперечном сечении представляют собой сегмент кольца, а лопасти турбины в поперечном сечении имеют профиль в виде синусоиды.
В энергетической установке отношения:
- внутреннего радиуса лопасти устройства формирования ветрового потока к ее хорде находится в интервале 0,75÷1,5;
- количества лопастей в турбине к количеству лопастей в устройстве формирования ветрового потока находится в интервале 1,2÷1,9.
В энергетической установке лопасти устройства формирования ветрового потока установлены с углом входа потока ветра 70÷80° на входе и 15÷20° на выходе.
В энергетической установке лопасти турбины установлены с углом входа потока ветра 35÷45° на входе и 175÷185° на выходе.
Благодаря введению в центральную часть энергетической установки полой трубы, конструкция ветротурбины становится более устойчивой, что приводит к уменьшению вибрации и защите ротора от разрушения при шквальных ветрах, кроме того, воздушный поток, попадая на поверхность полой трубы, отражается от нее и формируется в виде кругового потока. При движении воздушного потока по кругу лопастям ротора придается дополнительный вращающий момент, что приводит к более полному использованию энергии ветрового потока и повышению КПД установки.
Выполнение лопастей устройства формирования ветрового потока в поперечном сечении в виде сегмента кольца обеспечивает плавное прохождение воздушного потока с них на лопасти турбины. Таким образом происходит уменьшение потерь энергии ветрового потока, т.е. повышение КПД установки.
Выполнение лопастей турбины, в поперечном сечении имеющих профиль синусоиды, приводит к образованию на выпуклой поверхности зоны разрежения, а на вогнутой стороне - зоны повышенного давления, при этом происходит более полная передача энергии ветрового потока лопастям турбины.
На чертежах представлено: на фиг.1 - общий вид энергетической установки; на фиг.2 - поперечное сечение энергетической установки; на фиг.3 - аксонометрический вид яруса энергетической установки.
Энергетическая установка выполнена сборно-разборной в виде нескольких установленных друг на друга и механически скрепленных между собой ярусов, содержащих каждый вращающуюся турбину 1, установленную внутри неподвижного устройства формирования ветрового потока 13.
Турбина 1 в каждом ярусе 11 содержит лопасти 2, каждая из которых представляет собой в поперечном сечении профиль синусоиды и установлена с углом входа потока ветра 35÷45° на входе и 175÷185° на выходе, по окружности турбины. Данные оптимальные углы определены лабораторными испытаниями, результаты которых приведены в табл.1. Лопасти жестко крепятся к верхнему и нижнему маховикам 3.
В центральной части турбины 1 установлена полая труба 4, прикрепленная к верхнему и нижнему маховикам 3, внутри которой расположена вертикальная ось 5. Отношение внешнего диаметра турбины 1 к диаметру полой трубы 4 находится в интервале 1,5÷2,5. Результаты лабораторных испытаний приведены в табл.2.
Маховики 3 установлены на вертикальную ось 5, которая соединена с валом генератора 6. Оси 5 и полые трубы 4 в ярусах 11 соединены между собой механически, например замковым устройством. На оси 5 установлено тормозное устройство 7. Генератор 6 расположен в машинном зале 8 и электрически связан с аккумуляторной батареей 9 и инвертором 10.
В каждом ярусе 11 лопасти 12 устройства формирования ветрового потока 13 установлены по окружности и жестко крепятся к нижнему и верхнему основаниям 14. Каждая лопасть 12 в поперечном сечении представляет собой сегмент кольца, причем отношение внутреннего радиуса 15 лопасти 12 устройства формирования ветрового потока 13 к хорде 16 находится в интервале 0,75÷1,5, а сама лопасть 12 установлена с углом входа потока ветра 70÷80° на входе и 15÷20° на выходе. Результаты лабораторных испытаний приведены в табл.3.
Установлено, что оптимальное отношение количества лопастей 6 в турбине 1 к количеству лопастей 12 в устройстве формирования ветрового потока 13 находится в интервале 1,2÷1,9. Результаты испытаний приведены в табл.4.
Энергетическая установка работает следующим образом.
Поток ветра, поступая на лопасти 12 устройства формирования воздушного потока 13, ускоряется, завихряется на них и поступает на лопасти 2 турбины 1 и отдает ей свою наибольшую энергию. Сходя с лопасти 2 турбины 1, ветровой поток ударяется в полую трубу 4, отражается от нее и формируется в виде кругового потока. Двигаясь по кругу, ветровой поток воздействует на лопасти турбины и передает ей дополнительную энергию, что приводит к увеличению крутящего момента и повышению КПД установки. Турбина 1 вращает электрогенератор 6, вырабатывающий электрическую энергию. Отработанный воздух уходит вдоль оси установки 5 через верхнее и нижнее основания 14.
Таким образом, комплекс вышеперечисленных конструктивных особенностей обеспечивает повышение КПД энергетической установки, ее надежности и понижение уровня вибрации, что позволяет устанавливать ее, в частности, на жилые здания, имеющие достаточную высоту.
Таблица 1
Зависимость частоты вращения турбины от углов установки лопастей турбины
Углы установки лопастей (вход/выход), град
30/170
40/180
50/190
Частота вращения турбины, об/мин
125
250
90
Таблица 2
Зависимость крутящего момента от отношения диаметра полой трубы к внешнему диаметру турбины
Отношение диаметров
1
2
3
Крутящий момент, H·м
74,1
112,5
90,2
Таблица 3
Зависимость скорости воздушного потока от углов установки лопастей устройства формирования ветрового потока и отношения радиус/хорда
Углы установки лопастей (вход/выход), град.
65/10
75/17
85/25
Отношение радиус/хорда
0,75
1,3
2
Скорость воздушного потока, м/с
5,6
13,4
1,2
Таблица 4
Зависимость крутящего момента от отношения количества лопастей в турбине и устройстве формирования ветрового потока
Отношение количества лопастей
1
1,5
2,5
Крутящий момент (на единицу площади лопастей турбины), Н·м
8,1
110,3
0,1