Ветроэнергетическая установка
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения ротора, используемым для получения механической и электрической энергии.
Известна ветроэнергетическая установка (патент RU № 2093702 C1, МПК F03D3/04, опубл. 20.10.1997.) содержащая корпус, вытяжное устройство, направляющие аппараты, каждый из которых выполнен в виде по крайней мере двух коаксиально установленных в корпусе полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по оси спирали, и ветроколеса, выполненного в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленного над вытяжными цилиндрическими каналами, образованными внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок каждого направляющего аппарата. Радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждой пары соседних направляющих аппаратов выбираются в соответствии с установленной зависимостью, при использовании которой снижаются потери энергии воздушного потока внутри ветроустановки.
Известна ветроэнергетическая установка (патент RU № 2539244 C1, МПК F03D3/04, опубл. 20.01.2015 г). Устройство содержит электрогенератор, установленный на валу, ротор радиальной турбины с лопастями, вал которого связан с валом электрогенератора, и направляющий аппарат, включающий оболочки, между которыми расположены лопатки с прямолинейными входной и выходной кромками. Ротор радиальной турбины расположен внутри направляющего аппарата. Обе кромки лопаток направляющего аппарата ориентированы по оси вращения ротора турбины. Ветроэнергетическая установка выполнена, по меньшей мере, из одного модуля. При этом, вал модуля механически связан с валом электрогенератора.
Наиболее близким является «Устройство для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию» (патент RU №182523 U1, МПК F03D 3/04 , F03D 13/20 , опубл. 22.08.2018 Бюл. № 24).
Устройство содержит раструб, выполненный в виде усечённого конуса или цилиндра, переходящего в усечённый конус, и расположенный в нём по его вертикальной оси ротор, выполненный в виде вала с закреплёнными на нём посредством соединительных дисков лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба, на уровне  верхнего среза раструба в горизонтальной плоскости установлена жёстко связанная с раструбом силовая крестовина, в центре которой размещен подшипниковый узел, в котором закреплен вал ротора, в нижней части опор раструба в центре силовой крестовины размещается подшипниковый узел, в котором закреплен  вал ротора, на силовой крестовине размещен  генератор ЭДС, при этом его ротор  жестко связан с валом устройства.
Из описания патента и прилагаемой схемы данного устройства известно, что генератор ЭДС размещен на уровне нижней части опор раструба, а вал закреплен в верхнем и нижнем подшипниковых узлах.
Общими признаками являются корпус с различными диаметрами на входе и выходе раструба, размещенном внутри корпуса на вертикальном валу ветроколеса и размещенном вне корпуса на уровне нижней части опор раструба в горизонтальной плоскости генератора.
Однако данное устройство имеет следующий недостаток - низкая эффективность использования энергии ветра из-за неиспользования энергии вихревого потока в раструбе.
Технический результат - повышение эффективности использования энергии ветра достигается тем, что закрепление на валу ветроэнергетической установки внутри раструба конической винтовой лопасти позволяет более полно использовать энергию вихревого потока в раструбе, создаваемого лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба при обдувании раструба ветром.
При неизменном значении воздушного потока в прототипе и в предлагаемом устройстве, в дополнение к мощности на валу прототипа, создаваемой лопастями ветроколеса с частичным выступом их из нижней части раструба, в предлагаемом устройстве конической винтовой лопастью, закрепленной на валу установки, создается дополнительная мощность на валу. Это приращение мощности в предлагаемом устройстве обусловлено той долей энергии ветрового потока, которая не может быть использована в прототипе. Приращение мощности на валу предлагаемой ветроэнергетической установки при одинаковом значении воздушного потока в прототипе и соизмеримых потерях на трение позволяет утверждать об увеличении коэффициента полезного действия предлагаемого устройства, как важнейшей технико-экономической характеристике устройства.
Сущность заявленного устройства заключается в том, что ветроэнергетическая установка, содержащая раструб, выполненный в виде усечённого конуса или цилиндра, переходящего в усечённый конус, и расположенный в нём по его вертикальной оси ротор, выполненный в виде вала с закреплёнными на нём посредством соединительных дисков лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба, указанный раструб установлен на опорах с подпятниками, по меньшей мере, трёх, на уровне верхнего среза раструба в горизонтальной плоскости установлена жёстко связанная с раструбом силовая крестовина, в центре которой размещен подшипниковый узел, в котором закреплен вал ротора с возможностью вращения, на уровне нижней части опор раструба в горизонтальной плоскости установлена жёстко связанная с опорами посредством силовых элементов конструкции силовая крестовина, в центре которой размещен подшипниковый узел, в котором закреплен вал ротора с возможностью вращения, генератор ЭДС устанавливается на силовой крестовине на уровне нижней части опор раструба в горизонтальной плоскости, при этом ротор генератора ЭДС жестко связан с валом ротора, при этом внутри раструба над лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба закреплена на валу коническая винтовая лопасть, с переменным радиусом, уменьшающимся в направлении от нижнего к верхнему срезу раструба.
Процесс более полного использования энергии вихревого потока в раструбе заключается в следующем.
С началом вращения ротора и возникающей при этом циркуляции воздушного потока в направлении от нижнего к верхнему срезу раструба возникает давление на коническую винтовую лопасть.
Сила ветрового потока , обусловленная возникающим давлением (фиг. 4), прикладывается к нижней поверхности конической винтовой лопасти. В точке приложения силы  к лопасти в ней возникают в вертикальной плоскости две силы. Первая направлена по нормали к плоскости лопасти , а вторая – тангенциальная сила , направленная по касательной к кромке лопасти и по направлению совпадающая с направлением ребра конической винтовой лопасти.
Равнодействующая этих сил  и  представляя собой диагональ прямоугольника, построенного на этих силах, как на сторонах прямоугольника, порождена силой воздушного потока и равна ей по модулю, т.е.
+  = .
Проекция силы  на горизонтальную плоскость, перпендикулярную оси вращения вала ветроустановки и проходящую через точку приложения силы , представляет собой силу вращения .
Таким образом, в результате давления вихревого потока на коническую винтовую лопасть в раструбе возникает работа силы вращения , которая и создает приращение полезной мощности на валу ветроэнергетической установки.
Повышение эффективности использования энергии ветра можно показать следующим образом.
ВП
Полагая, что мощности ветрового потока Р, прикладываемого к устройству по патенту RU № 182523 U1 и к предлагаемому устройству одинаковы, можно оценить компоненты, входящие в выражения, характеризующие баланс их мощностей.
Мощность воздушного потока, прикладываемого к устройству по патенту RU № 182523 U1:
ВП
ЛЧВ
Н
ПОТ. ЛЧВ
Р = Р +  Р + ΔР,(1)
ЛЧВ
где - Р – мощность, создаваемая на валу лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба;
Н
- Р – неиспользованная мощность вихревого потока в раструбе за лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба;
ПОТ. ЛЧВ
- ΔР – потери мощности на трение в подшипниках и трение воздушного потока о лопасти с частичным выступом их из нижней части раструба.
Н
Компонента Р в выражении (1) применительно к предлагаемому устройству представляется в виде:
Н
КВЛ
ПОТ. КВЛ
Н
Р  = Р + ΔР + Р′,       (2)
КВЛ
где - Р – мощность, создаваемая на валу конической винтовой лопастью;
ПОТ.КВЛ
- ΔР – потери мощности на трение в подшипниках и трение воздушного потока о коническую винтовую лопасть;
Н
- Р′ – неиспользованная мощность вихревого потока в раструбе за конической винтовой лопастью.
Мощность воздушного потока, прикладываемого к предлагаемому устройству:
ВП
ЛЧВ
ПОТ. ЛЧВ
КВЛ
ПОТ. КВЛ
Н
Р = Р + ΔР + Р + ΔР + Р′,   (3)
ЛЧВ
где - Р – мощность, создаваемая на валу лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба;
ПОТ. ЛЧВ
- ΔР – потери мощности на трение в подшипниках и трение воздушного потока о лопасти с частичным выступом их из нижней части раструба.
КВЛ
- Р – мощность, создаваемая на валу конической винтовой лопастью которая возникает за счёт использования энергии вихревого потока в раструбе;
ПОТ. КВЛ
- ΔР – потери мощности на трение в подшипниках и трение воздушного потока о коническую винтовую лопасть;
Н
- Р′ – неиспользованная мощность вихревого потока в раструбе за конической винтовой лопастью.
Н
КВЛ
ПОТ. КВЛ
Н
Из сравнения выражений (1) и (3) следует, что неиспользованная мощность вихревого потока Р в выражении (1) в предлагаемом устройстве, как показано в выражении (2) представляет сумму мощности, создаваемой на валу конической винтовой лопастью - Р, потери мощности на трение в подшипниках и трение воздушного потока о коническую винтовую лопасть -ΔР и неиспользованной мощности вихревого потока в раструбе за конической винтовой лопастью - Р′.
Н
Н
Неиспользованная мощность вихревого потока в раструбе в предлагаемом устройстве меньше таковой в патенте RU 182523 U1, т.е. Р′ < Р, а потери на трение в обоих случаях соизмеримы.
Тогда коэффициенты полезного действия устройств соответственно для патента RU 182523 U1  и предлагаемого имеют вид:
1
ЛЧВ
ВП
η = Р / Р       (4)
2
ЛЧВ
КВЛ
ВП
η = Р + Р / Р      (5)
Из выражений (4) и (5) следует, что коэффициент полезного действия в предлагаемом устройстве выше.
Таким образом, закрепление на валу ветроэнергетической установки конической винтовой лопасти с переменным радиусом, уменьшающимся в направлении от нижнего к верхнему срезу раструба позволяет получить приращение мощности на валу за счет мощности, создаваемой конической винтовой лопастью, которая возникает за счёт использования энергии вихревого потока в раструбе, и на этой основе при том же значении мощности воздушного потока, что и в прототипе, повысить КПД в предлагаемой ветроэнергетической установке.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежом, где на
фиг. 1 представлена предлагаемая конструкция устройства для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию;
фиг. 2 представлен вид сверху на предложенное устройство.
фиг. 3 представлен вид сверху без раструба 5, верхней крестовины 4 и подшипникового узла 1.
фиг. 4 аксонометрическая проекция конической винтовой лопасти.
Ветроэнергетическая установка, содержащая раструб 5, выполненный в виде усечённого конуса или цилиндра, переходящего в усечённый конус, и расположенный в нём по его вертикальной оси ротор, выполненный в виде вала 2 с закреплённой на нём конической винтовой лопастью 3, а ниже её на валу 2 закреплены посредством соединительных дисков 6 лопасти 7 с частичным выступом 8 их из нижней части раструба 5. раструб 5 установлен на опорах 9 с подпятниками 14, по меньшей мере, трех, по условиям устойчивости, на уровне верхнего среза 16 раструба 5 в горизонтальной плоскости установлена жёстко связанная с раструбом 5 силовая крестовина 4, в центре которой размещен подшипниковый узел 1, в котором закреплен вал 2 ротора с возможностью вращения, на уровне нижней части опор 9 раструба 5 в горизонтальной плоскости установлена жёстко связанная с опорами 9 посредством силовых элементов конструкции 12 силовая крестовина 11, в центре которой размещен подшипниковый узел 13, в котором закреплен вал 2 ротора с возможностью вращения. Генератор ЭДС 10 установлен на силовой крестовине 11 на уровне нижней части опор 9 раструба 5 в горизонтальной плоскости, ротор генератора ЭДС 10 жестко связан с валом 2 ротора, а габаритные размеры ротора генератора ЭДС 10 определяются возможностью получения максимально возможной ЭДС и ограничены опорами 9 раструба 5. Раструб 5 имеет нижний срез 15.
Работа заявленного устройства заключается в следующем.
При обдуве ветром выступа лопастей 7 ротора вал 2 ротора начинает вращаться, создавая перепад скоростей слоёв воздуха в пространстве между нижним 15 и верхним 16 срезами раструба 5 вследствие образования вихревого потока согласно уравнению Д. Бернулли, в результате чего возникает устойчивый вихревой воздушный поток, который обеспечивает преобразование энергии ветра в механическую энергию вращения ветроколеса, содержащего диски 6 и лопасти 7 и вал 2 ротора.
Возникающий в раструбе 5 воздушный поток начинает воздействовать на коническую винтовую лопасть 3. Результатом этого воздействия является сила (см. 1. Ветроустановки: учеб.  пособие по курсам «Ветроэнергетика», «Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергию), «Введение в специальность» / Под ред. М.И. Осштова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 36 с: ил. [Электронный ресурс]: URL https://invertory.ru/help/vetroustanovki.pdf (Дата обращения 12.10.2018 г.).
2. Фалеев Д.С. Возобновление и ресурсосберегающие источники энергии: Физические основы, практические задачи; применение для электропитания устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте: учеб. пособие. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. –175 с.: ил. [Электронный ресурс]: URL https://studfiles.net/preview/3019155/page:2/ (Дата обращения 12.10.2018 г.), которая действует на коническую винтовую лопасть 3 со стороны протекающего через неё воздушного потока. Мощность, развиваемая этой силой, пропорциональна произведению количества движения массы проходящего через коническую винтовую лопасть 3 в единицу времени воздуха на разность скоростей до и после неё. Под действием этой силы возникает дополнительный крутящий момент, создаваемый конической винтовой лопастью 3, обеспечивая повышение эффективности использования энергии ветра.
Таким образом, закрепление на валу 2 ветроэнергетической установки в конической винтовой лопасти 3 с переменным радиусом, уменьшающимся в направлении от нижнего 15 к верхнему 16 срезу раструба 5 позволяет получить приращение мощности на валу 2 за счет мощности, создаваемой конической винтовой лопастью 3, которая возникает за счёт использования энергии вихревого потока в раструбе 5, и на этой основе при том же значении мощности воздушного потока, что и в прототипе, повысить КПД в предлагаемой ветроэнергетической установке.