ветроустановка

Формула изобретения

Ветроустановка содержит неподвижный несущий корпус, являющийся основным направляющим аппаратом, выполненным в виде пространственной лопастной решетки с центральным выходным каналом, в котором соосно с центральной осью на вертикальном валу размещено рабочее колесо, отличающаяся тем, что на верхнем элементе корпуса установлен с возможностью свободного вращения относительно центральной оси, единый блок из воздухозаборника, сопла и стабилизатора, при этом пространственная лопастная решетка сформирована из двух поверхностей вращения и построенными в виде кругового массива пространственных лопастей между ними, которые формируют рабочие каналы; воздухозаборник полностью охватывает рабочие каналы тыльной зоны направляющего аппарата и соединен воедино с выходным соплом с возможностью свободного вращения относительно центральной оси.

Описание изобретения к патенту

Ветроустановка относится к ветроэнергетике, в частности к ветроустановкам с направляющими устройствами, преобразующим энергию воздушного потока, и может быть использована для получения как механической, так и электрической энергии.

Известна ветроустановка, содержащая устройства для изменения направления воздушного потока, которая, в том числе, содержит корпус, вытяжное устройство и направляющий аппарат для воздушного потока и предназначена для преобразование энергии воздушного потока (патент РФ №2093702, F 03 D 3/04 от 22.01.96).

Однако данная установка не позволяет максимально использовать энергию ветра из-за больших потерь в протяженном вертикальном рабочем тракте.

Известна ветроустановка с концентратором и ускорителями потока, которая, в том числе, содержит обтекаемый корпус, конфузор, сопло и турболопастной ротор и предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую (а.с. №2078995, 6 F 03 D 9/00 от 26.05.92).

Но большая парусность конфузора предполагает увеличение прочности несущих элементов и механизмов и их массы, а это снижает общий КПД установки. Конструктивная сложность с большим количеством подвижных пар и пар трения увеличивает удельную стоимость установки и ставит под сомнение ее преимущества перед классической схемой горизонтально-осевых установок.

Наиболее близким техническим решением является ветроустановка, содержащая кольцевой корпус с центральным каналом и обтекателем на его входе, которая, в том числе, содержит направляющие лопатки, эластичный выходной патрубок с кольцом и установленное на вертикальном валу ветроколесо и предназначена для преобразования энергии ветра (а.с. №1121482, F 03 D3/04 от 06.08.82).

Но в данной установке работает лишь фронтальная часть направляющего аппарата, а на тыльной, по отношению к направлению воздушного потока, создается подветренная зона пониженных давлений размером в половину (а то и больше) диаметра направляющего аппарата, что приводит к перетеканию рабочей среды в область пониженных давлений на переходе из направляющего аппарата к рабочему колесу. Т.е. часть воздушного потока со своей потенциальной энергией «убегает на волю», не доходя до рабочего колеса, тем самым снижая эффективность работы установки.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона рабочих скоростей набегающего потока, максимального использования его энергии, уменьшение потерь рабочего тракта и увеличение эффективности ветроустановки.

Для решения поставленной задачи ветроустановка содержит неподвижный несущий корпус, являющийся основным направляющим аппаратом, выполненным в виде пространственной лопастной решетки с центральным выходным каналом, в котором соосно с центральной осью на вертикальном валу размещено рабочее колесо, причем на верхнем элементе корпуса установлен, с возможностью свободного вращения относительно центральной оси, единый блок из воздухозаборника, сопла и стабилизатора; при этом пространственная лопастная решетка сформирована из двух поверхностей вращения и построенными в виде кругового массива пространственных лопастей между ними, которые формируют рабочие каналы; воздухозаборник полностью охватывает рабочие каналы тыльной зоны направляющего аппарата и соединен воедино с выходным соплом с возможностью свободного вращения относительно центральной оси.

На фиг.1 изображен общий вид установки; на фиг.2 - ветроустановка в разрезе; на фиг.3 - вид сверху с разрезом А-А.

На фиг.1, 2, 3 изображена ветроустановка, где 1 - нижнее основание, 2 - верхний элемент корпуса, 3 - пространственные лопасти, 4 - рабочий канал направляющего аппарата, 5 - центральный выходной канал корпуса, 6 - рабочее колесо, 7 - воздухозаборник, 8 - внутренняя полость воздухозаборника, 9 - сопло, 10 - стабилизатор, 11 - генерирующее устройство, 12 - граница раздела на зоны, 13 - фронтальная зона, 14 - тыльная зона.

Взаимное расположение узлов и деталей ветроустановки: нижнее основание 1 и верхний элемент 2 концентрично расположены относительно центральной вертикальной оси и представляют собой две поверхности вращения. Нижнее основание 1 и верхний элемент 2 жестко соединены между собой пространственными лопастями 3, построенными в виде кругового массива относительно центральной оси, и формируют пространственные рабочие каналы 4 между каждой парой лопастей 3. Совокупность перечисленных элементов формирует неподвижный несущий корпус, являющийся основным направляющим аппаратом. Он выполнен в виде пространственной лопастной решетки с центральным выходным каналом 5, в котором соосно размещено рабочее колесо 6. На верхнем элементе 2 корпуса установлен, с возможностью свободного вращения относительно центральной оси, единый блок из воздухозаборника 7, сопла 9 и стабилизатора 10. Рабочее колесо 6 связано с генерирующим устройством 11. Воздухозаборник 7 выполнен в виде пространственной оболочки, охватывающей в рабочем положении рабочие каналы 4 тыльной зоны 14 направляющего аппарата и, создавая своей поверхностью границу между областями повышенного и пониженного давления, формирует внутреннюю полость 8. Условная граница раздела 12 между фронтальной зоной 13 и тыльной зоной 14 проходит по входной части воздухозаборника.

При этом рабочие каналы 4 сформированы из условия минимизации протяженности рабочего тракта в направляющем аппарате и вертикальной составляющей траектории движения рабочей среды.

Ветроустановка работает следующим образом.

Сопло 9 и воздухозаборник 7 с помощью стабилизатора 10 ориентируются по направлению воздушного потока, вращаясь вокруг направляющего аппарата. Захваченный направляющим аппаратом и воздухозаборником 7 воздушный поток, пройдя через каналы 4 направляющего аппарата, расположенные во фронтальной зоне 13, и через внутреннюю полость 8, сформированную воздухозаборником 7, и каналы 4, расположенные в тыльной зоне 14, попадает в центральный канал 5 и на рабочее колесо 6, расположенное в нем. Передав часть своей энергии колесу 6, отработанный воздушный поток (рабочая среда) выбрасывается через сопло 9 наружу. Рабочее колесо 6 передает полученную энергию на генерирующее устройство 11. Срез сопла 9 находится в тыльной зоне 14 области пониженного давления, а входная часть воздухозаборника 7 - во фронтальной зоне 13 области повышенного давления торможения от набегающего потока.

Два противоположных по воздействию эффекта («тянуть» и «толкать») дают дополнительный положительный импульс работе воздушного потока и переводят установку в категорию «два в одном».

К описанному выше добавим, что образованная поверхностью подвижного блока из элементов 7 и 9 пространственная граница между областями пониженного и повышенного давлений защищает установку от вредных "отсасывающих" эффектов в области перехода из направляющего аппарата на рабочее колесо 5 и тем самым уменьшает потери энергии в рабочем тракте установки.

Подвижный блок из элементов 7, 9, 10 выполнен из легких материалов и при малом удельном весе имеет низкий момент инерции. В зависимости от номинальной мощности установки и, соответственно, массы подвижного блока из элементов 7, 9, 10 возможно использование совместно со стабилизатором 10 или взамен ему дополнительных устройств и механизмов.

Установка на верхнем элементе корпуса, единого блока из воздухозаборника, сопла и стабилизатора, с возможностью свободного вращения относительно центральной оси, позволяет получить дополнительную энергию от захваченного воздухозаборником потока, включить в работу каналы тыльной зоны и избавиться от вредного влияния на работу установки пониженных давлений тыльной зоны.

Формирование пространственной лопастной решетки из двух поверхностей вращения и построенными в виде кругового массива пространственных лопастей между ними позволяет сформировать рабочие каналы с минимальной протяженностью рабочего тракта в направляющем аппарате и вертикальной составляющей траектории движения рабочей среды.

Соединенный воедино с выходным соплом, с возможностью свободного вращения относительно центральной оси, воздухозаборник полностью охватывает рабочие каналы тыльной зоны направляющего аппарата и позволяет направлять через них к рабочему колесу энергию струй, не захваченных рабочими каналами фронтальной зоны.

Использование ветроустановки предложенной конструкции позволяет существенно повысить эффективность использования энергии ветра, расширить диапазон рабочих скоростей ветра и максимально полно использовать энергию низкопотенциальных, пульсирующих и «рыскающих» потоков воздуха. Благодаря простоте конструктивной схемы с минимальным количеством узлов, деталей и кинематических пар достигается увеличение надежности и долговечности установки.