ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Известен ветродвигатель, содержащий корпус со входным конфузором, горловиной, переходным участком, выходным диффузором и лопастным ротором, размещенным в горловине. Выходной диффузор снабжен экраном, закрепленным на торце диффузора при помощи пилонов, а размеры элементов ветродвигателя выбраны из определенных соотношений (Россия, патент №2006663, 1991 г).
Недостатком этого ветродвигателя является неоправданно сложная конструкция и большие потери мощности из-за срывного внешнего обтекания диффузора и экрана.
Известен способ концентрации ветрового потока в плоскости ветроколеса. Ветродвигатель, с помощью которого осуществляется способ, содержит центральное тело удобообтекаемой формы. На поверхности центрального тела в плоскости его миделевого сечения размещено ветроколесо с лопастями, на концах которого закреплен кольцевой обтекатель (ФРГ, патент №3905337, 1989 г.).
Недостатком этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные с закруткой потока за ветроколесом и поверхностным трением вращающегося кольцевого обтекателя, большая стартовая скорость, повышенная опасность для птиц из-за разгона потока перед ветроколесом.
Известен ветродвигатель, с центральным телом, носовая часть которого имеет форму эллипсоида вращения, а хвостовая - имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с неподвижным кольцевым обтекателем, с защитной сеткой проницаемостью 96-98% на входе кольцевого обтекателя (Россия, патент №12195, 1999 г.).
Недостатком этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные со срывом потока с концевой части центрального тела ветроколеса, возможность обледенения лопастей и кольцевого обтекателя, а также перегрев генератора, установленного внутри втулки ветроколеса.
Известен ветродвигатель, принятый в качестве прототипа, с неподвижным кольцевым обтекателем с лепестками, установленными на его задней кромке для увеличения эжектирующего эффекта (Россия, патент №38364, 2004 г.).
Недостатком этого ветродвигателя является возможность его разрушения из-за сильной раскрутки ветроколеса при большой скорости ветра.
Задача, которую решает предложенная полезная модель, состоит в улучшении характеристик ветродвигателя.
При этом достигаются следующие технические результаты:
- устраняется возможность разрушения ветроколеса из-за сильной его раскрутки при большой скорости ветра. Технические результаты достигаются следующим способом:
- раскрутка ветроколеса при большой скорости ветра устраняется за счет дросселирования канала протока между кольцевым обтекателем и центральным телом.
Для этого в известном ветродвигателе, содержащем центральное тело, носовая часть которого имеет сферическую форму, хвостовая часть имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с неподвижным кольцевым обтекателем, соединенным пилонами с центральным телом, выполнено следующее:
- на пилонах установлены подпружиненные створки, которые определяют аэродинамический профиль пилонов в поперечном сечении и которые раскрываются тем сильнее, чем сильнее ветер, создавая эффект дросселирования канала ветродвигателя.
На фиг.1 показана конструктивная схема ветродвигателя.
Ветродвигатель, содержит центральное тело, состоящее из носовой части 1 и хвостовой части 2. Между носовой и хвостовой частью центрального тела расположено ветроколесо 3 с лопастями 4, внутри которого помещается генератор. Хвостовая часть центрального тела соединена с помощью пилонов 5 с кольцевым обтекателем 6. Пилон состоит из центральной пластины и двух створок 7, шарнирно закрепленных на задней кромке пилона (фиг.3). Передние части створок
соединены с центральной пластиной с помощью пружин 8 и тросика 9, длина которого ограничивает максимальный угол раскрытия створок (90°). Внешние обводы створок таковы, что пилон в поперечном сечении имеет форму аэродинамического профиля. В прижатом положении между створками имеется зазор на передней кромке пилона.
Ветродвигатель работает следующим образом.
Набегающий воздушный поток (ветер) попадая в кольцевой канал между носовой частью центрального тела ветроколеса 1 и обтекателем 6, вращает лопасти ветроколеса. При скоростях ветра до 20 м/с створки 7 прижаты пружинами 8 и образуют гладкий аэродинамический профиль пилона (положение а) на фиг.2, 3). При этом сила давления на внутреннюю сторону створок, создаваемая скоростным напором воздуха, проникающего под створки через зазор на передней кромке пилона, уравновешивается силой упругости пружин. При достижении значения скорости ветра 20 м/с скоростной напор воздуха, поступающего через зазор между створками, создает силу давления большую, чем сила упругости пружин 8. Створки 7 начинают отклоняться внутрь кольцевого канала под действием аэродинамической силы. При дальнейшем возрастании скорости ветра еще больше усиливается давление воздуха на внутреннюю поверхность створок, на их подветренной стороне создается разрежение воздуха и за счет перепада давления они отклоняются сильнее. При скорости ветра 50 м/с (ураган) угол отклонения створок достигает ~ 90°, что фиксируется наличием тросика 9 (положение б) на фиг.2, 3). При уменьшении скорости ветра до значений, меньших 20 м/с, пружины прижимают створки к поверхности пилона (возвращают створки в начальное положение).
Обоснование технических результатов.
Рассчитаем площадь створок.
1
2
1
2
Пусть при скорости ветра V=20 м/с створки прижаты к внутренней поверхности кольцевого обтекателя, а при скорости V=50 м/с отклонены на 90°. Чтобы аэродинамическая сила, действующая на лопасти не превышала критического значения, расход воздуха через канал обтекателя ветродвигателя при V и V должен быть одинаковым.
ств
кан
Тогда суммарная площадь створок S и площадь выходного отверстия (канала) в обтекателе S связаны соотношением:
Отсюда
1
2
Подставив в формулу (2) значения скоростей V и V, получим что площадь, канала перекрытая створками равна
кан
кан
cтв
1cтв
ств
1ств
ств
ств
2
2
2
2
При R=1 м площадь канала S=3,14 м, S=1,88 м. При четырех пилонах площадь одной створки составит S=S/8=0,235 м. Если учесть, что струйка воздуха в канале сужается, может оказаться, что достаточно S=0,2 м (длина створки L=0,8 м, ширина В=0,25 м).
Рассчитаем коэффициент упругости пружины.
2
упр
ств
Случай, когда створки отклонены на 90° (V=50 м/с) показан на фиг.3. На створку действуют аэродинамическая сила, равная силе лобового сопротивления X, и сила упругости пружины F. Моменты этих сил относительно оси вращения створки, должны быть равны. Если обозначить ширину створки В, то:
упр
упр
х
1ств
2
2
Подставив в (4) F=kΔх и X=сSρV /2, получим:
упр
х
1ств
где k - коэффициент упругости пружины, Δx - удлинение пружины, С - коэффициент лобового сопротивления створки, S - площадь одной створки, ρ - плотность воздуха.
упр
ств
1ств
ств
ств
Из фиг.3 видно, что Δх=()В. Учитывая, что S=LВ, получаем:
ств
2
х
2
4
При L=0,8 м, V=50 м/с, ρ=0,125 кГсек/м, c=1,15 (согласно Справочнику авиаконструктора. Аэродинамика. Изд. ЦАГИ, 1937 г.) коэффициент упругости пружины каждой из 8 створок равен k=71,9 кГ/м.