ВЕТРОАГРЕГАТ

Заявляемая полезная модель относится к области ветроэнергетики, а, именно, к устройствам для получения электроэнергии нетрадиционным способом.
Известна ветроэлектрическая установка, содержащая два ветроколеса, установленные внутри имеющего диффузорное расширение для каждого из ветроколес корпуса и конфузор на входе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения (патент РФ №2076946). Конструкция установки не обеспечивает необходимую устойчивость в работе и достаточно громоздка и сложна в изготовлении.
Известна ветросиловая энергоустановка вращающегося типа, содержащая ветротурбину с устройством авторегулирования скорости ее вращения и осесимметричное центральное тело, установленные в рабочем канале с конфузором на входе и диффузором на выходе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения ветроагрегата (патент РФ №2156885) и являющаяся наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели.
Конструкция данной энергоустановки обладает значительными габаритами и не обеспечивает требуемую эффективность из-за снижения скорости потока в выходной части.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности ветроагрегата и уменьшение его габаритов.
Задача решается тем, что в ветроагрегате, содержащем ветротурбину с устройством авторегулирования скорости ее вращения и осесимметричное центральное тело, установленные в рабочем канале с конфузором на входе и диффузором на выходе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения ветроагрегата, рабочий канал образован охватывающим осесимметричное центральное тело кольцевым обтекателем, закрепленным на подкосах, соединенных с размещенной внутри осесимметричного центрального тела силовой рамой, на которой установлены ветротурбина, электрогенератор и узел вращения, а узел ориентации выполнен в виде по меньшей мере двух профилированных килей, расположенных под углом к продольной оси ветроагрегата.
Задача решается и тем, что в ветроагрегате внутренняя поверхность кольцевого обтекателя образована вращением вокруг его продольной оси несимметричного крыльевого профиля, обращенного выпуклой частью к продольной оси ветроагрегата с образованием конфузора на входе и диффузора на выходе рабочего канала, а также и тем что кольцевой обтекатель соединен с подкосами шарнирно. При этом ветротурбина установлена непосредственно на электрогенераторе, а узел вращения расположен на силовой раме вблизи продольной оси ветроагрегата.
Задача решается также и тем, что устройство авторегулирования скорости вращения выполнено с возможностью регулирования угла установки лопастей ветротурбины, а на задней кромке обтекателя наружу от него размещены лепестки, имеющие дугообразную форму в поперечном сечении и прямоугольную форму в плане и расположенные выпуклой частью в сторону передней кромки кольцевого обтекателя.
Задача решается также и тем, подкосы кольцевого обтекателя имеют в поперечном сечении форму капли, а также и тем, что кили узла ориентации расположены так, что расстояние между ними превышает максимальный диаметр кольцевого обтекателя.
Полезная модель поясняется чертежами (Фиг.1-4). На Фиг.1 представлен общий вид ветроагрегата (вид сбоку), на Фиг.2 - вид по стрелке А, на Фиг.3 - вид по стрелке Б, на Фиг.4 - сечение В-В. Представленный на чертежах ветроагрегат содержит кольцевой обтекатель 1, внутренняя поверхность которого получена вращением вокруг продольной оси О-О ветроагрегата несимметричного крыльевого профиля 2, обращенного выпуклой частью внутрь кольцевого обтекателя 1. По периметру задней кромки кольцевого обтекателя 1 размещены лепестки 3, имеющие дугообразную форму в поперечном сечении и прямоугольную форму в плане и расположенные выпуклой частью в сторону передней кромки кольцевого обтекателя 1. Кольцевой обтекатель 1 установлен на силовой раме 4 с помощью четырех подкосов 5, причем подкосы 5 закреплены на силовой раме 4 жестко, а с кольцевым обтекателем 1 связаны с помощью шарниров 6 (Фиг.1 при снятых с кольцевого обтекателя крышках, закрывающих шарниры при работе ветроагрегата). На силовой раме 4 со смещением к передней кромке кольцевого обтекателя 1 относительно подкосов 5 установлен также электрогенератор 7 со ступицей 8 ветротурбины 9. На ступице 8 ветротурбины 9 установлены лопасти 10 и устройство 11 авторегулирования частоты вращения ветротурбины 9, представляющее собой центробежный регулятор угла установки лопастей, имеющий в своем составе центробежные механизмы рабочего и реверсивного режимов. За подкосами 5 ближе к задней кромке кольцевого обтекателя 1 на силовой раме 4 закреплен также узел вращения 12, обеспечивающий разворот ветроагрегата относительно стойки 13.
Силовая рама 4, электрогенератор 7, ступица 8 ветротурбины 9, устройство 11 авторегулирования частоты вращения ветротурбины 9 и узел вращения 12 закрыты осесимметричным центральным телом 14. Форма внутренней поверхности кольцевого обтекателя 1 и наружной поверхности осесимметричного центрального тела 14 формируют на входе в кольцевой обтекатель 1 перед лопастями 10 ветротурбины 9 конфузорный канал 15, а на выходе из кольцевого обтекателя 1 позади лопастей 10 ветротурбины 9 - диффузорный канал 16. Полученная в результате форма рабочего канала позволяет существенно уменьшить габариты ветроагрегата.
На подкосах 5 и силовой раме 4 закреплены фермы 17 хвостового оперения, оснащенные килями 18, имеющими поперечное сечение в виде симметричного крыльевого профиля 19, расположенного так, что его хорда находится под углом φ к продольной оси ветроагрегата, а расстояние L между задними кромками профилей 19 не должно быть меньше максимального диаметра D кольцевого обтекателя 1. Величина угла установки φ киля 17 выбирается из условия оптимизации угловой скорости разворота ветроагрегата на ветер, обеспечиваемой хвостовым оперением при различных скоростях и направлениях ветра.
Принцип работы ветроагрегата
При возникновении воздушного потока, вектор скорости которого не совпадает с продольной осью О-О ветроагрегата, один из килей 17 хвостового оперения всегда оказывается в свободном потоке, не заторможенном конструкцией ветроагрегата, что повышает эффективность его работы. При этом на киле 17 возникает подъемная сила, направленная в сторону продольной оси ветроагрегата и создающая момент, стремящийся совместить направление продольной оси ветроагрегат с направлением вектора скорости  воздушного потока, разворачивая ветроагрегат в узле вращения 12 относительно стойки 13. Подъемная сила возникает на киле 17 даже при весьма незначительных углах отклонения β вектора скорости  воздушного потока от продольной оси ветроагрегата, так как величина этой силы определяется углом атаки α профиля 18 киля 17, складывающегося из угла отклонения β вектора скорости  воздушного потока и угла установки киля φ. Размещение узла вращения 12 на центральной силовой раме 4 вблизи продольной оси ветроагрегата разгружает узел вращения 12 от действия аэродинамических моментов, возникающих при обтекании ветроагрегата воздушным потоком.
Воздушный поток, попадая в конфузорный канал 15, разгоняется и поступает на лопасти 10 ветротурбины 9, которая преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую энергию вращения ротора электрогенератора 7, который, в свою очередь, вырабатывает электрическую энергию. При этом регулирование угла установки лопастей 10 осуществляется устройством 11 авторегулирования частоты вращения ветротурбины 9. Размещение ступицы 8 ветротурбины непосредственно на электрогенераторе 7 исключает необходимость в трансмиссии и существенно упрощает конструкцию ветроагрегата.
После прохождения через лопасти 10 ветротурбины 9 воздушный поток обтекает расположенные за ними подкосы 5. Для снижения их аэродинамического сопротивления поперечное сечение подкосов 5 выполнено в форме капли, большей осью расположенной вдоль по потоку (Фиг.4). Далее воздушный поток поступает в диффузорный канал 16, где его скорость снижается, что приводит к общему снижению скорости потока внутри кольцевого обтекателя. Что бы снизить эффект торможения потока в диффузорном канале 16 по периметру задней кромки кольцевого обтекателя 1 размещены лепестки 3, которые позволяют задействовать дополнительные массы воздуха в передаче их кинетической энергии воздушному потоку. При обтекании лепестков 3 внешним по отношению к кольцевому обтекателю 1 воздушным потоком за лепестками 3 возникает процесс активного образования вихрей, способствующих созданию зон пониженного давления за задней кромкой кольцевого обтекателя 1 и, соответственно, увеличению скорости истечения потока из диффузорного канала 16. Кроме того, при протекании внешнего потока в промежутках между криволинейными поверхностями лепестков 3, его скорость увеличивается и способствует дополнительному эжектированию внутреннего воздушного потока. Размер лепестков и промежутка К между ними определяется расчетным путем из условий оптимального вихреобразования и получения максимально возможной скорости потока, протекающего между лепестками 3. Таким образом, создание комбинированного эффекта пониженного давления в зоне истечения потока из диффузорного канала 16 и эффекта его эжектирования внешним воздушным потоком обеспечивает дополнительное повышение скорости потока, обтекающего ветротурбину, и, как следствие, повышение на 10-15% мощности, снимаемой с ветротурбины.
Полезная модель найдет широкое применение во всех отраслях, где имеется потребность в высокоэффективных и относительно малогабаритных нетрадиционных источниках получения электрической энергии.