ВЕТРОУСТАНОВКА С АКТИВНЫМ УСКОРИТЕЛЕМ ВЕТРОВОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть применена в качестве ускорителя ветрового потока. Полезная модель может быть использована в ветроустановках, применяемых для электрификации в районах, удаленных от ископаемых источников энергии и водных ресурсов, а также для орошения и водоснабжения животноводческих хозяйств, для подачи воды на отгонных пастбищах в зоне орошаемого земледелия.
Известны ветродвигатели с установкой раструба (конуса) перед ветро-колесом, которые предположительно позволяют повысить мощность ветродвигателя за счет увеличения скорости потока в узком сечении конуса по сравнению с его скоростью в широком сечении у входа в раструб (Я.И. Шефтер «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках». Издательство Министерства Сельского хозяйства СССР, Москва, 1957, стр.22).
Недостатком данных ветродвигателей является низкое КПД, малое значение коэффициента использования ветра ξ вследствие образования воздушной подушки на входе в раструб за счет подпора, создаваемого ветроколесом, и обтекания частью воздушного потока конуса по его внешней поверхности.
Известна ветроустановка с атмосферным диффузором в виде кольцевого крыла, на внутренней стенке которого имеются две последовательно расположенные независимые щели для кольцевого вдува (патент РФ №: 2261363. МПК: F03D 1/04, F03D 9/02).
Недостатком атмосферного диффузора является возникновение в нем отрыва потока (снижение эффективности) при увеличении угла натекания потока воздуха на диффузор свыше 10…15°; увеличение осевого усилия на башню, усложнение ВЭУ.
Известно устройство со специальным раструбом с жалюзями, расположенным за ветроколесом (Я.И. Шефтер «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках», Издательство Министерства Сельского хозяйства СССР, Москва, 1957, стр.23).
Недостатком известного устройства является то, что для крупных ветросиловых установок раструб получается громоздким и тяжелым, что делает двигатель сложным для обслуживания.
Известно устройство повышения мощности ветроэнергетической установки, состоящей из двух колец, объединенных обтянутым брезентом или джинсовой тканью, жестко закрепленные на опорной поворотной платформе. Внутреннее кольцо по диаметру ненамного превышает диаметр лопастей ветроустановки, причем наружное кольцо выдвинуто вперед по отношению к плоскости ветроколеса так, что имеет форму конфузора с углом 10-30°, позволяющее собирать дополнительный ветровой поток (патент РФ №: 65579. МПК: F03D 3/00).
Недостатком известного устройства является низкое значение коэффициента использования ветра ξ из-за образования воздушной подушки на входе в конфузор за счет создаваемого ветроколесом подпора и обтекания частью воздушного потока конфузора по его внешней поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является горизонтально-осевой ветродвигатель с комбинированным воздуховодным устройством с использованием двух коаксиальных труб Вентури: во внутренней трубе Вентури в месте максимального разрежения располагается ветроколесо, а во внешней трубе Вентури в минимальном сечении находится выходное сечение внутренней трубы (Р.А. Янсон «Ветроустановки», Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2007, стр.25, рис.15 г.).
Недостатком данного ветродвигателя является то, что конструкция воздуховодного устройства очень громоздка, металлоемка и сложна в обслуживании.
Инжектор типа Вентури (трубка Вентури) представляет собой трубку с конусными заужениями с обеих сторон, работающую на принципе перепада давления (Н.Я. Фабрикант «Аэродинамика», Государственное Издательство технико-теоретической литературы, Москва-Ленинград, 1949, стр.81). В основе принципа действия трубы Вентури лежит эффект Вентури и закон Бернулли - в суженном участке трубы скорость возрастает, а давление соответственно уменьшается. За сужением трубопровод снова плавно расширяется, образуя диффузор, где происходит обратный переход кинетической энергии потока в энергию давления.
1
3
Так как внутренняя часть ветряного колеса обычно остается неиспользованной, конструктивные соображения и плохой коэффициент полезного действия затрудняют использование этой части. Эти затруднения у тихоходных двигателей более велики, чем у быстроходных, так как неиспользуемая площадь у тихоходных типов в общем больше, чем у быстроходных. Однако принимают, что в обоих типах не используется / действительного радиуса (А. Бетц «Энергия ветра и ее использование посредством ветряных двигателей», Государственное научно-техническое издательство Украины, Харьков, 1933, стр.38).
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции ветроустановки с активным ускорителем ветрового потока с использованием трубки Вентури, расположенной в центре ветроколеса, и маломощной всасывающей турбины в диффузорной части трубки, что увеличивает эффективность ветроустановки, а также значительно уменьшает размеры и упрощает конструкцию установки.
Использование предлагаемой ветроустановки с активным ускорителем ветрового потока позволит повысить мощность, развиваемую ветроустановкой, увеличить рабочий диапазон работы в расчетном режиме, эксплуатационные свойства ветроустановки; безопасность и надежность ее работы.
В результате использования предлагаемой полезной модели появляется возможность увеличения скорости вращения ветроколеса за счет разрежения воздуха за ветроколесом, которое создается принудительной инжекцией наружного воздушного потока внутрь сопла по патрубкам, установленным на суженном участке трубки, что увеличивает мощность ветродвигателя и период работы в расчетном режиме, как в суточном, так и в сезонном периоде.
Предлагаемая конструкция ветроустановки с активным ускорителем ветрового потока позволит увеличить коэффициент использования ветровой энергии, а также уменьшить размеры и упростить конструкцию ветроустановки.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что ветроустановка с активным ускорителем ветрового потока, выполненным в виде трубки Вентури и расположенным в центре ветроколеса, снабжена маломощной всасывающей турбиной, которая работает от внешнего источника энергии и создает дополнительное ускорение потока в диффузорной части трубки, а через установленные на суженном участке трубки Вентури патрубки происходит всасывание наружного воздушного потока внутрь сопла, что, в свою очередь, создает разрежение за ветроколесом и способствует увеличению скорости воздушного потока проходящего через ветроколесо и, как следствие, повышает частоту вращения ветроколеса.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлено схематическое изображение ветроустановки с активным ускорителем ветрового потока.
Ветроустановка с активным ускорителем ветрового потока, выполненным в виде трубки Вентури 1 и расположенным в центре горизонтально-осевого ветроколеса 2, установлена на мачте 3. При этом ветроколесо 2 свободно вращается на подшипнике 4, посаженном на трубку Вентури 1. В узкой части трубки Вентури 1 установлены патрубки 5, через которые происходит всасывание наружного воздушного потока внутрь сопла 6, при этом устройство дополнительно снабжено маломощной всасывающей турбиной 7, которая работает от внешнего источника энергии и усиливает в узкой части трубки Вентури 1 скорость воздушного потока, что, в свою очередь, создает разрежение за ветроколесом и способствует увеличению скорости воздушного потока проходящего через ветроколесо.
Работает ветроустановка с активным ускорителем ветрового потока следующим образом.
1
3
3
2
2
1
Воздушный поток, входящий в трубку Вентури 1 со скоростью V, ускоряется в ее узком сечении до скорости V за счет уменьшения статического давления и разрежения, усиленного маломощной всасывающей турбиной 7, которая работает от внешнего источника энергии. Ускоренный в узкой части трубки Вентури 1 воздушный поток V увлекает за собой наружный ветровой поток V внутрь сопла 6 через патрубки 5, установленные на суженном участке трубки Вентури 1, создавая за ветроколесом 2 некоторое разрежение. За счет этого происходит соответствующее увеличение скорости потока V за ветроколесом 2 и соответственно увеличивается скорость воздушного потока V, все это приводит, к росту мощности, развиваемой двигателем.