ВЕТРОАГРЕГАТ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-POWER PLANT AND WIND-DRIVEN GENERATOR

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании установок для получения электрической энергии из энергии ветра, а именно для создания ветроагрегата и ветроэнергетической установки.
Известен ветроэлектрический быстроходный агрегат, состоящий из генератора, статор которого размещен внутри ротора и закреплен на неподвижной полой оси, а выходная часть каналов воздухозаборного устройства снабжена соплами, охватывающими ротор (Патент России 2032832, F03D 9/00, F03D 3/04 от 12.02.1991, опубл. 10.04.1995). Недостатком данного ветроагрегата является низкий коэффициент использования ветровой энергии.
Наиболее близким по решаемой задаче и технической сущности является техническое решение по патенту РФ №2058499 от 30.05.1991 г.
ТУРБОМАШИНА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, содержащая закрепленное на вертикальном валу ветроколесо барабанного типа с центральной цилиндрической полостью и с равномерно расположенными по кольцу вертикальными профилированными лопастями, кольцевой направляющий аппарат, расположенный коаксиально снаружи ветроколеса, с вертикальными равномерно расположенными по кольцу профилированными основными лопатками, две пары соосных дисков, на первой паре которых закреплены нижние и верхние концы лопастей ветроколеса, а на второй паре, выполненной с центральными отверстиями, закреплены соответствующие концы лопаток направляющего аппарата, причем диски последнего размещены снаружи дисков ветроколеса, а каждая лопасть и лопатка имеют переднюю и заднюю поверхности и внутреннюю и наружную кромки и установлены с образованием каналов, соединенных с центральной полость, отличающаяся тем, что диаметр центральной полости не должен быть меньше 1/6 части диаметра турбомашины, а количество лопаток направляющего аппарата не должно превышать 16.
Недостатком вышеуказанного технического решения является сложность конструкции и низкая эффективность преобразования энергии ветра.
Задачей предложенного изобретения является упрощение конструкции установки с увеличением ее эффективности, а также повышение надежности работы ветроагрегата и ветроэнергетической установки.
Предлагаемое техническое решение позволяет значительно увеличить эффективность при простоте конструкции ветроагрегата и ветроэнергетической установки.
Поставленная задача решается тем, что ветроагрегат содержит систему направляющих пластин аэродинамической формы, установленных по окружности, внутри которой расположен ротор, выполненный из по меньшей мере двух лопастей, закрепленных на кронштейнах и жестко связанных между собой, лопасти ротора имеют переднюю и заднюю поверхности, переднюю и заднюю кромки и выполнены в виде несимметричного аэродинамического профиля, и при этом передняя кромка лопасти ротора находится на расстоянии Х от оси вращения ротора, которое определяется по формуле Х=(от 0,05 до 0,2) L, где L - длина хорды профиля лопасти ротора, каждая пластина направляющей системы установлена на неподвижном кронштейне и ориентирована таким образом, что наименьший угол между хордой профиля пластины и радиусом, проведенным из центра вращения ротора к центру давления профиля пластины, составляет не более 70°, при этом наименьшее расстояние между задней кромкой пластины направляющей системы и передней кромкой лопасти ротора составляет X.
Для достижения наибольшего эффекта положение максимальной толщины аэродинамического профиля лопасти ротора ветроагрегата находится от передней кромки профиля на расстоянии 60-80% длины хорды профиля лопасти, при этом относительная кривизна профиля составляет не менее 17%.
В частном случае аэродинамический профиль лопасти ротора образован кривыми 3-го порядка с относительной толщиной профиля не менее 12%, при этом передняя и задняя кромки лопасти ротора лежат внутри сектора, отсекаемого лучами, проведенными из оси вращения ротора и образующими угол не более 180°.
В частном случае образующая передней поверхности лопасти определена кривой третьего порядка и может иметь S-образную форму, в этом случае точка перегиба образующей поверхности расположена от носка профиля на расстоянии 80-90% длины хорды профиля.
В частном случае образующая передней поверхности лопасти определена кривой третьего порядка и может иметь U-образную форму.
В частном случае образующая задней поверхности лопасти определена кривой третьего порядка и имеет U-образную форму, при этом точка максимальной кривизны профиля расположена от передней кромки профиля на расстоянии 30-40% длины хорды профиля.
Также поставленная техническая задача решается тем, что ветроэнергетическая установка содержит ветроагрегат, включающий ротор и систему направляющих пластин, преобразователь энергии, который соединен с ротором ветроагрегата, опору с основанием, при этом ветроагрегат имеет средство перемещения с приводом, средство перемещения установлено на опоре таким образом, что при перемещении к основанию опоры ветроагрегата опора размещается между направляющими пластинами и ротором.
В частном случае основание опоры выполнено в виде фундамента.
В частном случае средство перемещения ветроагрегата выполнено в виде тележки с роликами, контактирующими с опорой.
В частном случае средство перемещения выполнено в виде тележки с зубчато-реечным механизмом, связанным с приводом.
В частном случае средство перемещения выполнено в виде тележки с реечно-винтовой парой, связанной с приводом.
В частном случае привод выполнен в виде механической лебедки, установленной на основании опоры.
Также поставленная техническая задача решается тем, что ветроэнергетическая установка содержит ветроагрегат, установленный на опоре с основанием, при этом ветроагрегат содержит систему направляющих пластин аэродинамической формы, установленных по окружности, внутри которой расположен ротор, выполненный из по меньшей мере двух лопастей, закрепленных на кронштейнах и жестко связанных между собой, лопасти ротора имеют переднюю и заднюю поверхности, переднюю и заднюю кромки и выполнены в виде несимметричного аэродинамического профиля, и при этом передняя кромка лопасти ротора находится на расстоянии Х от оси вращения ротора, которое определяется по формуле Х=(от 0,05 до 0,2) L, где L - длина хорды профиля лопасти ротора, каждая пластина направляющей системы установлена на неподвижном кронштейне и ориентирована таким образом, что наименьший угол между хордой профиля пластины и радиусом, проведенным из центра вращения ротора к центру давления профиля пластины, составляет не более 70°, при этом наименьшее расстояние между задней кромкой пластины направляющей системы и передней кромкой лопасти ротора составляет X.
В дальнейшем изобретение иллюстрируется подробным описанием конкретного примера выполнения и чертежами, на которых:
На фиг.1 изображена принципиальная схема ветроагрегата.
На фиг.2 - ветроэнергетическая установка с ветроагрегатом в рабочем положении.
На фиг.3 - ветроэнергетическая установка с зубчато-реечным механизмом.
На фиг.4 - ветроэнергетическая установка с реечно-винтовой парой.
На фиг.5 - ветроэнергетическая установка с лебедкой.
На фиг.6 - ветроэнергетическая установка в сложенном положении.
На фиг.7 - расположение лопасти ротора относительно оси вращения.
На фиг.8 - S-образная форма передней кромки лопасти ротора.
На фиг.9 - U-образная форма передней кромки лопасти ротора.
На фиг.10 - расположение аэродинамических пластин направляющей
системы относительно оси вращения ротора.
Заявляемый ветроагрегат, как показано на фиг.1 и фиг.2, содержит систему 1 из направляющих пластин 2, которые имеют аэродинамическую форму. Направляющие пластины 2 установлены по окружности таким образом, что образуют кольцо, внутри которого расположен ротор 3. Ротор 3 выполнен из лопастей 4. Количество лопастей 4 не должно быть меньше двух. В описываемой конкретной конструкции ротор 3 имеет четыре лопасти 4, которые закреплены сверху и снизу на кронштейнах 5. Верхние и нижние кронштейны 5 соответственно жестко связанны между собой. Например, верхний и нижний кронштейны 5, как показано на фиг.1, имеют вид четырехконечной звезды, на выступающих частях которых неподвижно закреплены лопасти 4. Лопасти 4 ротора 3 имеют переднюю поверхность 6 и заднюю поверхность 7, переднюю кромку 8 и заднюю кромку 9. Лопасти 4 ротора 3 выполнены в виде несимметричного аэродинамического профиля.
Пластины 2 направляющей системы 1 имеют аэродинамический профиль и также имеют заднюю кромку 13 и переднюю кромку 14.
Задняя кромка 9 лопасти 4 ротора 3 находится на расстоянии Х от оси 10 вращения ротора 3 (фиг.1), при этом минимальное расстояние между задней кромкой 13 пластины 2 направляющей системы 1 и передней кромкой 8 лопасти 4 ротора 3 составляет также X.
Расстояние Х определяется по формуле, которая была выведена экспериментальным путем
Х=(от 0,05 до 0,2) L,
где L - длина хорды 11 аэродинамического профиля лопасти 4 ротора 3. Например, если длина L хорды 11 равна 1 м, расстояние Х равно 0,1 м при выбранном коэффициенте 0,1. Если выбрать коэффициент меньше 0,05, то получим минимальное расстояние Х от оси 10, что приведет к затруднительному прохождению потока воздуха и движение ротора 3 будет затруднено, что снизит эффективность работы ветроагрегата. При выборе коэффициента больше 0,2 расстояние от оси 10 значительно и при движении воздуха не создается достаточного давления на лопасти 4 ротора 3 для эффективной работы ветроагрегата.
Каждая аэродинамическая пластина 2 направляющей системы 1 установлена на неподвижном кронштейне 12 (фиг.2) и ориентирована таким образом, что наименьший угол α (фиг.10) между хордой профиля пластины 2 и радиусом, проведенным из центра вращения ротора 3 к центру давления профиля пластины 2, составляет не более 70°. Например, при угле α больше 70° пластина 2 направляющей системы 1 направляет воздушный поток таким образом, что он обдувает только часть лопасти 4 ротора 3, в результате чего снижается эффективность работы ветроагрегата.
Экспериментальным путем было установлено, что для наиболее эффективной работы ветроагрегата профиль лопасти 4 ротора 3 выбирают из условий:
9
- положение максимальной толщины (линия MN на фиг.) лопасти 4 находится от передней кромки 8 профиля на расстоянии 60-80% длины хорды L профиля лопасти 4, при этом относительная кривизна профиля лопасти 4 составляет не менее 17%. Например, при длине хорды L профиля лопасти 4 1 м положение линии MN - максимальной толщины профиля находится на расстоянии 0,7 м, измеренное от передней кромки профиля. Относительная кривизна профиля составляет не менее 17% (измеряется в процентах). В случае если относительная кривизна профиля будет меньше 17%, воздушный поток, обдувающий лопасть 4, будет значительно менее эффективно тормозиться за передней кромкой 8 лопасти 4, что приведет к снижению воздушного давления у предыдущей по вращению лопасти ротора 3 и, как следствие, снижению эффективности работы ротора 4 и ветроагрегата в целом;
- аэродинамический профиль лопасти 4 ротора 3 образован кривыми 3-го порядка с относительной толщиной профиля не менее 12% (фиг.7), при этом передняя кромка 9 и задняя кромка 8 лопасти 4 ротора 3 лежат внутри сектора, отсекаемого лучами, проведенными из оси 10 вращения ротора 3 и образующими угол β не более 180°, как показано на фиг.7. Если угол β будет больше 180°, то это приведет к затрудненному оттоку воздуха из области ротора и, как следствие, к снижению эффективности ветроагрегата.
Для обеспечения аэродинамического профиля лопасти 4 имеют криволинейную поверхность, при этом образующая передней поверхности 6 определена кривой третьего порядка и может иметь различную форму, например
- S-образную форму, как это показано на фиг.8. В этом случае точка перегиба образующей передней поверхности 6 расположена от носка профиля на расстоянии 80-90% длины хорды профиля. Такой профиль лопасти 4 позволяет получить максимальное давление на лопасть 4 в момент прохождения через ротор 3 воздушного потока. Для нашего примера точка перегиба находится на расстоянии 0,85 м от носка профиля,
- или U-образную форму, как показано на фиг.9, при этом точка максимальной кривизны профиля расположена от носка профиля на расстоянии 30-40% длины хорды профиля. И это также приводит к тому, что создается максимальное давление на лопасть 4 в момент прохождения через ротор 3 воздушного потока. Для нашего примера точка максимальной кривизны профиля расположена от носка профиля на расстоянии 0,35 м.
Далее описан пример выполнения ветроэнергетической установки (фиг.2), которая содержит ветроагрегат 15, включающий ротор 3 и систему направляющих пластин 2, преобразователь энергии, который соединен с ротором 3 ветроагрегата 15. Ветроагрегат 15 установлен на опоре 20, которая имеет основание 21. Преобразователь энергии может быть выполнен в виде генератора 16 с редуктором-мультипликатором 18. Нижний кронштейн 5 жестко соединен с осью 17, которая в свою очередь через муфту 19 соединена с входным валом редуктора-мультипликатора 18. Выходной вал редуктора-мультипликатора 18 соединен с генератором 16.
Для удобства перевозки ветроэнергетической установки ветроагрегат 15 (фиг.3) имеет средство перемещения с приводом. Средство перемещения ветроагрегата 15 установлено на опоре 20 таким образом, что при перемещении ветроагрегата 15 к основанию 21 опоры 20 опора 20 размещается между направляющими пластинами 2 и ротором 3 ветроагрегата 15.
Основание 21 опоры 20 ветроэнергетической установки 15 может быть выполнено, например, в виде фундамента.
Средство перемещения ветроагрегата 15, как показано на фиг.4, может быть выполнено в виде тележки 22 с роликами 23, которые перемещаются (контактируют) по опоре 20. На тележке 22 жестко закреплен генератор 16. В качестве привода может использоваться лебедка 27, установленная на основании 21 опоры 20.
Другим примером выполнения средства перемещения ветроагрегата 15 может (фиг.5) служить тележка 22 с зубчато-реечным механизмом 24, которая снабжена и связана с приводом 25. Зубчато-реечный механизм 24 установлен на одной из сторон опоры 20.
Средство перемещения ветроагрегата 15 (фиг.6) также может быть выполнено в виде тележки 22 с реечно-винтовой парой 28, связанной с приводом 29. Реечно-винтовая пара 28 установлена на одной из сторон опоры 20.
В ветроэнергетической установке ветроагрегат 15 может быть выполнен в полном соответствии с ветроагрегатом, описанным выше.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Ветроэнергетическая установка доставляется к месту эксплуатации в сложенном виде. При этом опора 20 занимает пространство между лопастями ротора 3 внутри системы 1 направляющих пластин 2. После доставки ветроэнергетическая установка с помощью внешнего подъемного механизма (автокрана и т.п. на чертеже не показан) устанавливается и закрепляется на основании 21. После установки ветроэнергетическая установка находится в вертикальном положении, как показано на фиг.3.
Для обеспечения работы ветроэнергетической установки ветроагрегат 15 должен быть приведен в рабочее положение. Это обеспечивается поднятием ветроагрегата на максимально возможную высоту по опоре 20 с помощью средства перемещения, которое, как было описано выше, может имеет различную конструкцию. Ветроагрегат 15 закреплен на средстве перемещения, выполненном в виде тележки 22 с роликами 23, которые катятся по опоре 20, сохраняя устойчивое положение ветроагрегата 15 относительно опоры 20 при подъеме и далее при эксплуатации. Перемещение тележки 22 по опоре 20 может быть осуществлено с помощью реечно-винтовой пары 28 с приводом 29, или зубчато-реечной передачи 24 с приводом 25, или лебедки 27.
В рабочем (поднятом) положении ветроагрегат 15 фиксируется с помощью тормоза (на чертеже не показан), который может являться элементом привода 25, или привода 29, или лебедки 27, или тележки 22. При необходимости на опору 20 могут быть установлены дополнительные элементы, фиксирующие ветроагрегат 15 в рабочем положении.
Ветроагрегат 15, установленный в рабочем положении, находится в набегающем потоке воздуха (ветра), как показано на фиг.1. Поток воздуха, попадая в неподвижную систему 1 направляющих пластин 2, направляется на лопасти 4 ротора 3. Заявленная конфигурация направляющих пластин 1 и лопастей 4 ротора 3, а также их взаимное расположение позволяют содавать максимальное давление потока на лопасти 4 ротора 3.
Лопасти 4 ротора 3, испытывая давление набегающего потока, вращают кронштейн 5, жестко связанный с осью 17, которая в свою очередь жестко соединена с входным валом редуктора-мультипликатора 18. Выходной вал редуктора-мультипликатора 18 соединен с генератором 16. Генератор 16 преобразует энергию вращения вала генератора в электрическую энергию. Электрическая энергия снимается с контактных клемм генератора 16 и далее по кабелю передается для дальнейшего использования.
Лопасти 4 ротора 3 и пластины 2 системы 1 направляющих пластин могут быть выполнены из полимерных материалов, например из листового пластика: полиэтилена, полихлорвинила, полипропилена, стеклопластика и других композитных материалов или из тонкого металлического листа. Внутри лопасти 4 и пластины 2 имеется силовой каркас, выполненный из металла или композитных материалов. Наименьший угол между хордой профиля пластины 2 и радиусом, проведенным из центра вращения ротора 3 к центру давления профиля пластины 2, составляет не более 70°. Эта величина угла установлена экспериментальным путем и позволяет значительно увеличить эффективность работы всей установки.