РОТОРНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
ROTOR-TYPE WIND-DRIVEN ELECTRIC POWER STATION

Изобретение относиться к ветроэнергетике, а именно к вихревым двигателям, преобразующим кинетическую энергию вихря в механическую, и может быть использовано при создании ветроэлектростанций и мини ГЭС, а также как привод глубинных насосов.
Известен вихревой ветродвигатель, содержащий направляющий аппарат, выполненный виде кольца с размещенными в нем лопатками и ротор с лопастями, при этом концы лопаток закреплены на внешней и внутренней окружности кольца под углом, обеспечивающим свободный проход потока газа (воздуха) или жидкости (патент РФ №2182985, F03D 3/04, от 17.11.2000 г., опубл. 27.05.2002 г.).
Данный ветродвигатель не полностью использует энергию потока газа или жидкости из-за прямолинейных лопаток направляющего аппарата, что приводит к частичному срыву потока и снижению КПД вихря.
Наиболее близким по технической сущности решением является роторная ветроэлектростанция, содержащая направляющий аппарат, выполненный в виде кольца с размещенными в нем изогнутыми лопатками и ротор с лопастями, при этом концы лопаток закреплены на внешней и внутренней окружностях кольца под разными углами, обеспечивающие разные углы входа и выхода потока газа или жидкости (патент РФ №2215898, F03D 3/04, от 19.11.2002 г., опубл. 10.11.2003 г. - прототип).
Данная электростанция за счет конструкции направляющего аппарата обеспечивает более плавное вхождение газа или жидкости в аппарат и его завихрения, но крепление лопаток под разными углами к внешним и внутренним окружностям не обеспечивает достаточное использование энергии газа или жидкости и образование вихря из-за частичного срыва потока. Кроме того, из-за срыва потока резко снижается КПД ветроустановки.
Задачей изобретения является обеспечение полноты использования энергии газа или жидкости, повышения КПД ветроэлектростанции.
Поставленная задача решается роторной ветроэлектростанцией, содержащей направляющий аппарат, выполненный в виде кольца с размещенными в нем изогнутыми лопатками, и установленный в нем с зазором ротор с лопастями, при этом концы лопаток направляющего аппарата закреплены на внешней окружности кольца радиально, а на внутренней окружностях кольца - тангенциально, в нижнем торце кольца соосно ротору выполнено обеспечивающее выход потока отверстие с диаметром, равным диаметру ротора с лопастями, а верхний торец кольца заглушен крышкой.
Анализ предложенного решения с прототипом позволил выделить признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, что соответствует критерию «новизна».
Сравнительный анализ предложенного решения с известными не выявил признаков, совпадающих с признаками предложенного решения, что соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен схематический чертеж общего вида роторной ветроэлектростанции; на фиг.2 - разрез по А-А; на фиг.3 - углы крепления лопаток к внешней и внутренней окружности кольца направляющего аппарата.
Роторная ветроэлектростанция (фиг.1 и 2) состоит из направляющего аппарата 1, выполненного в виде кольца 2. В кольце 2 размещены изогнутые лопатки 3 и ротор 4 с лопастями 5. Ротор 4 с лопастями 5 установлен в направляющем аппарате 1 с зазором (не показан).
Концы лопаток 3 закреплены на внешней 6 и внутренней 7 окружностях под разными углами, обеспечивающие разные углы входа и выхода потока газа или жидкости.
Лопатки 3 закреплены на внешней 6 окружности кольца 2 радиально, а на внутренней 7 окружности кольца 2 - тангенциально.
Такое крепление лопаток 3 обеспечивает почти 100% использование энергии потока газа или жидкости (фиг.2). Кроме того, поток газа или жидкости плавно входит в направляющий аппарат 1 и движется по изогнутым лопаткам 3 до внутренней 7 окружности кольца 2, за счет радиального крепления к внешней 6 окружности и тангенциального крепления к внутренней 7 окружности без срыва потока газа или жидкости.
Верхней торец кольца 2 заглушен крышкой 8.
В крышке 8 выполнено отверстие (не показано) для крепления вала ротора 4 (фиг.1).
В нижнем торце кольца 2 выполнено отверстие 9, равное диаметру ротора 4 с лопастями 5 и соосно ему.
Такое выполнение отверстия 9 обеспечивает свободный выход отработанного газа или жидкости без какого-либо сопротивления, что увеличивает полноту использования энергии газа или жидкости и обеспечивает более надежный отвод из полости ротора находящихся в потоке включений (мусор, пыль, снег и т.п.); инициирует дополнительное закручивание потока вокруг наружной поверхности кольца (при этом задействуется большее количество лопаток, т.е. используется большее, чем проекция диаметра D площади кольца).
Роторная ветроэлектростанция работает следующим образом. Поток газа или жидкости (не показан) поступает в направляющий аппарат (фиг.2), выполненный в виде кольца 2 с размещенными в нем изогнутыми лопатками 3. А так как концы лопаток 3 закреплены во внешней 6 окружности кольца 2 радиально, а во внутренней 7 окружности кольца 2 - тангенциально, поток газа или жидкости почти всей проекцией (D) потока поступает плавно без срыва потока во внутреннюю 7 окружность кольца 2, где образует вихрь. Вихревой поток с огромной силой воздействует на лопасти 5 ротора 4, который (за счет вращения вихревого потока) начнет вращаться на валу, установленному в подшипниках (не показаны), закрепленных в крышке 8 верхнего торца кольца 2. А так как вал (не показан) ротора 4 соединен с валом ветрогенератора (мини ГЭС, глубинного насоса и т.д.), то и вал ветрогенератора начнет вращаться, вырабатывая электроэнергию (подавая воду на поверхность).
Отработанный газ или жидкость с попавшими в полость ротора инородными включениями, отдав кинетическую энергию, спокойно удаляется из кольца 2 с помощью нижнего отверстия 9. При этом диаметр отверстия обеспечивает спокойное, плавное удаление газа или жидкости.
Мощность на валу ротора 4 в предложенном решении находится по формуле:
3
N=κ-γ-D-H-V, где
N - мощность (Вт);
K - коэффициент полезного действия (К≈0,85 для макетных конструкций);
3
γ - удельный вес газа (жидкости) (кг/м);
D - проекция диаметра (м);
Н - высота кольца (м);
V - скорость потока (м/с).
Таким образом, предложенная роторная ветроэлектростанция более полно использует энергию потока газа (жидкости), коэффициент полезного действия (КПД) в сравнении с прототипом увеличивается на 15-20%.