ВЕТРОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в лопастных устройствах, преобразующих кинетическую энергию ветра в электрическую или какую-либо другую энергию.
Существующие, в настоящее время, ветрогенераторы, используют фронтальную силу ветра и, соответственно, преобразовывают только малую часть ее энергии. Все, без исключения, ветрогенераторы вращаются с невысокой скоростью и на них стараются установить минимальное количество лопастей, а причина одна - желание избежать помпажа (запирания потока воздуха диском, созданным вращающимся винтом). Пришли к компромиссному решению - минимальное количество лопастей и минимальные обороты, но нужны мощности - отсюда, совершенно не оправданные, гигантские размеры современных ветрогенераторов, лопасти которых, в первую очередь тормозят поток и лишь частично используют его для вращения, соответственно и КПД подобной конструкции оставляет желать много лучшего. Увеличение длины лопастей, проблему не решает, а только усугубляет ее.
Прототипом предлагаемой полезной модели является ветрогенератор самоуправляемый, включающий вал, генератор, установленный на вращающейся опоре с обмотками на валу, и хвост. Перед генератором на валу установлена коническая насадка с лопатками, лопатки установлены на кронштейнах с возможностью их поворота до установки поверхности лопаток параллельно оси вала, кронштейны имеют пружины, один конец которых соединен с кронштейном, а второй - с основанием лопатки. Пружины подобраны таким образом, что обеспечивают при штормовом ветре поворот лопаток до положения, при котором их поверхности параллельны оси вала (RU, патент №2365781, МПК 6 F03D 1/02, 1997 г.).
Недостатками прототипа являются низкий коэффициент полезного действия (КПД), высокая зона рабочих скоростей ветров, а так же невысокая надежность устройства.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении КПД и совершенствовании конструкции. Это обеспечивается тем, что в ветрогенераторе, содержащем корпус, позади, которого расположен лопастной винт, на корпусе перед винтом, установлен направляющий аппарат в виде лопастей. Каждая из лопастей направляющего аппарата и лопастей винта состоят из двух элементов, переднего и заднего, которые имеют свой, характерный для каждого них, профиль, причем, расстояние между передним и задним элементами, как лопастей направляющего аппарата, так и лопастей винта, и их взаимное положение подбирается таким образом, чтобы спрофилированная ими щель, выполняла функцию эжектора. Лопасти направляющего аппарата и винта имеют изогнутую форму (аэродинамический профиль). Кроме того, имеется два механизма разворота лопастей. Один механизм, расположенный в корпусе ветрогенератора, обеспечивает разворот лопастей направляющего аппарата, второй - расположенный во втулке винта, обеспечивает разворот лопастей самого винта. Причем, при развороте лопастей, каждый из четырех элементов, может поворачиваться вокруг своей оси.
Каждый из четырех элементов (две лопасти направляющего аппарата и две лопасти винта) имеет свой, характерный только для него, профиль, меняющийся по мере удаления от корневой нервюры, обеспечивая тем самым, аэродинамическую крутку самой лопасти. Причем, в большей степени, это касается элементов лопасти винта, поскольку, чем более удалено от оси вращения сечение лопасти, тем выше его линейная скорость, а, соответственно, увеличивается скорость и меняется направление ветрового потока, относительно этого сечения.
Профилированная щель, образованная двумя элементами лопасти, как у направляющего аппарата, так и у винта, выполняет функцию эжектора и направляет воздушный поток вдоль подветренной поверхности лопасти, обеспечивая тем самым ее плавное (ламинарное) обтекание, что в данном случае имеет решающее значение. Количество лопастей направляющего аппарата выбирается из условий эффективного разворота потока воздуха по всей площади, образованной винтом.
На фиг.1 общий вид ветрогенератора;
на фиг.2 рабочее положение лопастей ветрогенератора.
Ветрогенератор содержит корпус 1, втулку винта 2, мачту 3, на корпусе 1 перед втулкой винта 2 расположен направляющий аппарат в виде лопастей, состоящих из переднего 4, заднего 5 элементов и, образованной ими, профилированной щели 8, на втулке винта 2 расположены лопасти винта, также состоящие из переднего 6, заднего 7 элементов и, образованной ими, профилированной щели 9. Между корпусом 1 ветрогенератора и мачтой 3 установлено демпфирующее устройство 10, препятствующее резким разворотам/раскачкам ветрогенератора во время резкой/частой смены направления ветра.
Ветрогенератор работает следующим образом.
При вводе ветрогенератора в работу задаются необходимые параметры системе управления механизма разворота лопастей направляющего аппарата и лопастей винта. Происходит следующее:
- передний элемент 4 направляющего аппарата лишь слегка разворачивает поток воздуха, а задний элемент 5 направляющего аппарата, расположенный на незначительном расстоянии, разворачивается таким образом, чтобы довернуть поток на необходимый угол (см. фиг.2). В итоге получаем, развернутый на необходимый угол, ламинарный поток за лопастью направляющего аппарата. Расстояние между передним 4 и задним 5 элементами лопасти направляющего аппарата и их взаимное положение подбирается таким образом, чтобы спрофилированная этими элементами щель 8, выполняла функцию эжектора. Благодаря избыточному давлению, воздух, с наветренной стороны лопасти, через профилированную щель 8, выполняющую функцию эжектора, с большой скоростью перетекает на подветренную поверхность заднего элемента 5 лопасти направляющего аппарата и, двигаясь вдоль нее, увлекает за собой поток воздуха. Развернутый на необходимый угол, поток воздуха безударно направляется на передний элемент 6 лопасти винта, благодаря вращению которого, энергия воздуха преобразуется в механическую энергию. Передний 6 и задний 7 элементы лопасти винта занимают такое положение, при котором, заторможенный с наветренной стороны лопасти, поток воздуха, создает на ней избыточное давление, результирующая (давящая) сила которого, близка, либо совпадает с направлением вращения лопасти.
На подветренной стороне лопасти винта наблюдается такая же картина обтекания, что и на лопасти направляющего аппарата - на «горбу» переднего элемента 6 лопасти винта скорость потока возрастает, и чтобы, при его дальнейшем обтекании поверхности лопасти, исключить падение скорости потока и его отрыв от ее поверхности, спрофилированная передним 6 и задним 7 элементами лопасти щель 9, выполняя функцию эжектора, направляет струю воздуха вдоль наружной поверхности заднего элемента 7 лопасти винта, которая, увлекает за собой поток воздуха, выполняя поставленную задачу. В результате обтекания потоком воздуха, подветренной (наружной) поверхности лопасти, на ее поверхности создается разряжение, результирующая сила которого, тянет лопасть по направлению, совпадающим или близким с направлением ее вращения. В итоге на лопастях развивается максимальный крутящий момент благодаря тому, что обе силы (избыточное давление с наветренной стороны и разряжение с подветренной) действуют в одном направлении, совпадающим с направлением вращения лопастей.
Применение данной полезной модели позволит значительно увеличить КПД ветрогенератора, поскольку, для вращения лопастей винта, максимально используется энергия ветра, а не действие фронтальной силы; исключается (сводится к минимуму) явление помпажа (снижается вибрация); расширяется зона рабочих скоростей ветра; при меньших размерах (размахах лопастей) получаются большие крутящие моменты, а значит - большее количество энергии.