СПОСОБ ФОРСИРОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ
METHOD OF FORCING HORIZONTAL-AXIAL WIND TURBINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области техники, использующей энергию воздушного потока, ветра (скоростной напор).
Уровень техники
Настоящее изобретение описывает метод форсирования горизонтально осевой ветровой турбины и определяет область его применения.
В данном изобретении в качестве прототипа рассматривается одно-, двух- или трехлопастная (в пределе - без ограничения количества лопастей) горизонтально осевая ветровая турбина, в которой лопасть может иметь угол относительной закрученности сечений в диапазоне от 0° до 90°.
Раскрытие изобретения
Согласно общепринятой методике, в настоящее время применяется аэродинамическая модель ветровой турбины, лопасти которой находятся в режиме ламинарного обтекания воздушным потоком (с углами атаки до 5° в каждом их сечении). В данном изобретении рассматривается форсированная горизонтально осевая ветровая турбина, лопасти которой в своей комлевой части находятся в закритической, по углам притекания потока, иначе, в срывной, зоне обтекания. Этот режим достигается путем уменьшения угла относительной закрученности сечений лопасти. Установив по передней кромке комля такой лопасти предкрылок (дефлектор), можно использовать закритический режим обтекания потоком, ламинируя его.
Применение метода форсирования горизонтально осевой ветровой турбины позволяет получить дополнительный импульс по направлению ее вращения с целью увеличения крутящего момента. Это допущение можно обосновать, следуя теории лопасти: чем больше отклонение потока за каждым сечением лопасти, тем больше движущая сила ветровой турбины в целом.
В пользу метода форсирования ветровых турбин с горизонтальной осью вращения свидетельствует определение из теории Беца-Жуковского - максимальный коэффициент полезного действия ветровой турбины (предел Беца-Жуковского, равный 59,3%), достигается, когда скорость воздушного потока за ветровой турбиной становится в три раза ниже скорости воздушного потока перед ветровой турбиной. Достижению максимального приближения к пределу Беца-Жуковского способствует применение предкрылка (дефлектора): по принципу своего действия он отклоняет (тормозит) ветровой поток за турбиной, более, чем любое из известных устройств, применяемых в прототипе.
Описание чертежей
Фиг. 1 Возрастание эффективности ветровой энергетической установки (ВЭУ) посредством применения форсированной ветровой турбины на примере графика «мощность - ветер» :
- для выбранного прототипа ветровой турбины;
- для форсированной ветровой турбины,
где:
01
- V - начальная скорость ветра форсированной ветровой турбины;
02
- V - начальная скорость ветра прототипа ветровой турбины;
ном1
- V - номинальная скорость ветра форсированной ветровой турбины;
ном2
- V - номинальная скорость ветра прототипа ветровой турбины;
i
02
ном1
- V - произвольно выбранная скорость ветра в диапазоне между V и V.
ном
Представлена графическая интерпретация ожидаемого эффекта, состоящего в приросте выходной мощности на величину ΔР в каждый момент времени, по отношению к прототипу. По достижении ВЭУ номинальной выходной мощности Р вступает в действие программа ограничения угловой скорости вращения ветровой турбины, аналогичная прототипу.
Фиг. 2 Варианты исполнения лопасти форсированной ветровой турбины, где:
1 - лопасть;
2 - предкрылок;
β - угол относительной закрученности сечений лопасти и предкрылка:
- для лопасти прототипа;
- для лопасти форсированной ветровой турбины;
- для предкрылка лопасти форсированной ветровой турбины.
I - вариант исполнения лопасти форсированной ветровой турбины со скачкообразным переходом по углам относительной закрученности сечений лопасти от комля к перу.
II - вариант исполнения лопасти форсированной ветровой турбины с наличием участка интегрированного перехода от комля к перу.
Заштрихованный участок - перо лопасти.
У форсированной ветровой турбины угол относительной закрученности сечений лопастей β на величину Δβ меньше, чем у прототипа.
Примечание к фиг. 2: Отношение OX/OL (где ОХ - комлевая часть, обслуживаемая предкрылком, OL - общая длина лопасти) тем больше, чем больше угол относительной закрученности лопасти ветровой турбины выбранного прототипа.
Осуществление изобретения
Величина Δβ, на которую следует уменьшить угол относительной закрученности сечений лопасти форсированной горизонтально осевой ветровой турбины, может быть определена расчетным или эмпирическим путем, на основе анализа поляры выбранного аэродинамического профиля, с предкрылком и без него, с тем, чтобы вывести комель лопасти в диапазон закритических углов притекания воздушного потока.
Лопасть форсированной горизонтально осевой ветровой турбины может быть выполнена в варианте с интегрированным участком перехода от комля к перу, а также в варианте со скачкообразным, по углу относительной закрученности сечений, переходом от комля к перу.
В частном случае предкрылок может быть установлен по передней кромке лопасти форсированной ветровой турбины по всей ее длине, для упрощения технологии производства или по конструктивной необходимости. В этом случае отношение OX/OL равно 1.