УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И СТРУКТУР ДИРЕКТОРНОГО И РЕФЛЕКТОРНОГО ТИПОВ

Полезная модель относится к устройствам, преобразующим кинетическую энергию ветрового потока в механическую энергию вращения с возможностью последующего преобразования в электрическую энергию. Устройство может найти применение в качестве источника энергии для снабжения частных потребителей, находящихся в труднодоступных местах объектов инфраструктуры, резервного источника электроснабжения силовых структур. Также возможно применение устройства для резервного энергоснабжения морских стационарных и мобильных систем, например, нефтедобывающих платформ, кораблей малого водоизмещения.
Известны ветропреобразующие устройства, например, ветряные мельницы и на их основе лопастные современные ветроэлектростанции (А. Соловьев, Наука и жизнь, №7, 2013 г. с. 42-47).
Известно устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию, содержащее установленный на опорах вертикальный канал, в котором расположен ротор, выполненный в виде вала с закрепленными на нем лопастями, и вертикальный канал, выполненный в виде сужающегося вверх усеченного конуса, или переходящего в усеченный конус цилиндра, при этом ротор расположен так, что лопасти частично выступают из нижней части вертикального канала, а высота опор определена возможностью прохождения воздуха для обдува выступающей части лопастей (Евразийский патент №028018 от 29.09.2017 г.), где вертикальный канал рефлекторного типа - раструб - служит для формирования устойчивой вихревой структуры в верхней части ротора. Раструб по форме представляет собой объемную фигуру вращения.
Известно устройство, которое более эффективно по сравнению с аналогами позволяет преобразовывать кинетическую энергию ветра в механическую энергию (Патент на полезную модель «Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию с использованием нижней направляющей структуры» / Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский A.M., Полуянович Н.К., Савченко В.В., от 11.08.2016 г., №175397).
Принцип работы данного устройства во многом сходен с соответствующим принципом аналога и заключается в том, что над вращающимся внутри раструба ветроколесом возникает вихревая структура, которая так взаимодействует с этим ветроколесом, что происходит значительное - на несколько десятков процентов - усиление крутящего аэродинамического момента, действующего на ротор, по сравнению со случаем одиночного ветро-колеса. Указанному положительному эффекту способствует специальная форма ротора, эффективно воспринимающая как горизонтальные, так и вертикальные восходящие потоки, возникающие вследствие перепада давлений между верхней и нижней кромками раструба. Однако в этом устройстве, по сравнению с аналогом из указанного выше патента, введена дополнительная статическая структура в нижней части установки - нижняя направляющая структура, позволяющая фокусировать набегающий поток ветра с гораздо большей площади сечения, перпендикулярного невозмущенному ветровому потоку, чем для аналога. Введение нижней направляющей структуры позволяет на двадцать - тридцать процентов повысить крутящий момент устройства, по сравнению с аналогом. Это устройство есть прототип для настоящей заявки.
Существенные признаки прототипа, совпадающие с соответствующими признаками полезной модели, описаны в следующем абзаце.
Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, включающее вал ротора и лопасти ротора внутри раструба, опоры и узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение, нижнюю направляющую структуру, которая выполнена в виде выпуклой фигуры вращения, осесимметричной с ротором, электрогенератор.
Недостатком устройства прототипа является возникновение на верхней кольцевой кромке согласующего раструба, в котором находится ветроколесо, значительного срыва воздушного потока, что приводит к образованию паразитных вихревых структур. Эти паразитные структуры значительно уменьшают эффективность взаимодействия указанной выше основной вихревой структуры с ротором и тем самым существенно снижают его крутящий аэродинамический момент.
Техническим результатом полезной модели является значительное повышение полезной механической мощности устройства при незначительном изменении конструкции.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство, содержащее вал ротора и лопасти ротора внутри раструба, опоры и узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение, нижнюю направляющую структуру, которая выполнена в виде выпуклой фигуры вращения, осесимметричной с ротором, электрогенератор, при этом ротор имеет в своем составе директорный направляющий элемент, выполненный в виде объемной конусообразной фигуры с переменной кривизной, директорный направляющий элемент расположен в верхней части ротора, является его продолжением и вращается вместе с ним, лопасти ротора закреплены на валу с помощью соединительных дисков.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, где 1 - директорный направляющий элемент; 2 - лопасти ротора; 3 - соединительные диски для крепления лопастей; 4 - вал ротора; 5 - нижняя направляющая структура; 6 -раструб; 7 - электрогенератор; 8 - узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение.
Устройство работает следующим образом.
При обдуве ветровым потоком выступа лопастей 2 ротора на них начинает действовать аэродинамический крутящий момент, который передается с помощью соединительных дисков 3 на вал 4 ротора, инициируя его вращение. Нижняя направляющая структура 5 способствует эффективному использованию набегающего ветрового потока с достаточно большой площади сечения, перпендикулярного вектору скорости невозмущенного движения. Ротор при своем вращении формирует в верхней своей части вихревую структуру. Последнюю порождают потоки, отбрасываемые лопастями, которые выполняют работу по торможению или перенаправлению набегающего потока. В свою очередь, образовавшаяся вихревая структура начинает формировать значительный перепад давлений между верхней и нижней частями ротора за счет наличия директорного направляющего элемента 1. А именно, указанный элемент формирует достаточно большие вертикальные скорости восхождения и угловые скорости вращения частиц вихревой структуры, причем так, что эффективный радиус вихря на вертикальном уровне кромки раструба становится несколько меньше размеров раструба на этом уровне, что значительно уменьшает влияние на основной вихрь паразитных вихреобразований вследствие срыва потока на кромке раструба. Директорный образующий элемент 1 близок по форме к конусу, с вершиной, направленной вверх, однако имеет несколько изогнутые в меридиональных плоскостях образующие, профиль которых подобран из условия минимизации срыва потока на указанной вершине.
Во-вторых, непосредственно над верхней частью раструба скорость практически равна скорости невозмущенного потока и поэтому значительно больше, чем скорость останавливаемого ротором потока под нижней частью раструба. Комплексное действие этих двух факторов приводит, согласно закону Бернулли, к возникновению перепада давлений: в малой окрестности ротора над ним давление становится значительно меньше, чем давление непосредственно под ротором, что приводит к возникновению вертикальных восходящих потоков. Эти потоки усиливают вихревую структуру, способствуют сохранению ее устойчивости и тем самым увеличивают ее воздействие на ротор. Последнее способствует значительному повышению крутящего момента на валу 4 ротора и, электрической мощности электрогенератора 7, либо выходной мощности любого другого устройства нагрузки.
Уменьшение взаимодействия основной вихревой структуры с побочными вихрями, формирующимися вследствие срыва потока на верхней кромке раструба, является причиной уменьшения степени шума заявляемой установки.
Форма директорного направляющего элемента выполнена с возможностью обеспечения его аэродинамической интерференции с остальными статическими элементами конструкции установки и с ротором, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.
Форма нижней направляющей структуры директорного типа выполнена с возможностью обеспечения ее аэродинамической интерференции с остальными статическими элементами конструкции установки и с ротором, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.
Форма направляющей структуры рефлекторного типа (раструба) выполнена с возможностью обеспечения ее аэродинамической интерференции с остальными статическими элементами конструкции установки и с ротором, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.
Форма ротора выполнена с возможностью обеспечения его аэродинамической интерференции со статическими элементами конструкции установки, способствующей повышению механической мощности на валу ротора.
Выбор формы и размера директорного направляющего элемента ротора и его компоновки со статической частью конструкции, полученных в результате применения процедуры аэродинамической оптимизации, позволяет заявляемому устройству получить крутящий момент на роторе, который превосходит соответствующий момент прототипа, при прочих равных условиях, минимум, на пятнадцать-двадцать процентов.
Таким образом, в заявляемом устройстве для формирования вихревых структур использованы рефлекторная направляющая структура (раструб), в которую заглублен вращающийся ротор, совместно с директорным направляющим элементом, который является продолжением ротора и вращается вместе с ним. При такой комбинированной компоновке заявляемого устройства возникает возможность получения крутящего момента, большего, чем в случаях установок, где используются только одна из указанных составляющих. Для реализации такой возможности проведена аэродинамическая оптимизация обводов основных конструктивных элементов такой установки.