Роторная ветроэнергетическая установка

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Пашков Владимир Анатольевич(57) 1. Роторная ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, ветроколесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет радиально расположенные конусообразные роторы, отличающаяся тем, что роторы снабжены концевыми диафрагмами, их большие основания обращены к валу отбора мощности, а меньшие - к периферии, при этом роторы выполнены с углом конусности в пределах 2-4. 3060 1 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние от оси вращения вала отбора мощности до сечения с наибольшим диаметром ротора ветроколеса связано с длиной ротора следующим соотношением к(0,6-0,9)Нр,где к - расстояние от оси вращения вала отбора мощности до сечения с наибольшим диаметром ротора ветроколеса Нр - длина ротора. 3. Установка по пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что ротор разделен на части, по меньшей мере, одной разделительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами. 4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что части ротора имеют различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветроколеса к периферии ротора. 5. Установка по пп. 3 или 4, отличающаяся тем, что части ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора. 6. Установка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что боковая поверхность ротора выполнена с различными значениями параметра шероховатости, абсолютная величина которого уменьшается от серединного участка тела ротора к его периферии. 7. Установка по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что концевые диафрагмы в диаметральном сече(56) 1.2368618 А, МПК 2 03 1/00, 1978. 2.10198 , Класс 88 с, 3, 1929. 3.4570 А, Класс 88 с, 3, 1928 (прототип). Изобретение относится к механике, в частности к конструированию и производству ветроэнергетических установок для использования в различных областях хозяйственной деятельности человека, для индивидуальных нужд, а также при использовании в промышленных электросетях. Известны ветроэнергетические установки (ВЭУ), содержащие ветроколесо с рабочими роторами в форме полых приводных цилиндров, установленное на горизонтальном валу отбора мощности и размещенное на поворотной головке, шарнирно установленной на полой опоре, при этом вал отбора мощности ветроколеса кинематически связан, например, посредством дифференциала с электромашиной двигатель-генератор 1. В других аналогичных известных ВЭУ роторы снабжены концевыми диафрагмами 2. Известные конструкции обладают недостаточной надежностью и низким коэффициентом использования мощности ветрового потока. В связи с тем, что у ВЭУ 1 отсутствие концевых диафрагм приводит к потере до двух третей коэффициента использования мощности ветрового потока, а по патенту 2 на цилиндрической образующей ротора наблюдается градиент давления воздушного потока, что также приводит к снижению коэффициента использования мощности ветрового потока. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является роторная ветроэнергоустановка 3 (РВЭУ), содержащая ветродвигатель, ветровое колесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет радиально расположенные конусообразные роторы. Недостаток прототипа, так же как и известных аналогов, заключается в низком значении коэффициента использования мощности ветрового потока в связи с ненаправленным распределением давления воздушного потока по длине ротора ветроколеса. В основу заявленного изобретения положена задача повышения коэффициента использования ветрового потока в предлагаемой конструкции ВЭУ. Поставленная задача достигается тем, что в роторной ветроэнергетической установке (РВЭУ), содержащей ветродвигатель, ветровое колесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет радиально расположенные конусообразные роторы, согласно изобретению, роторы снабжены концевыми диафрагмами, их большие основания обращены к валу отбора мощности, а меньшие основания - к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах 2 - 4. Конструктивно, чтобы в РВЭУ расстояние от оси вращения вала отбора мощности до сечения с наибольшим диаметром ротора ветроколеса было бы связано с длиной ротора следующим соотношением к(0,6 - 0,9)Нр где К - расстояние от оси вращения вала отбора мощности до сечения с наибольшим диаметром ротора ветроколеса Нр - длина ротора. Предпочтительно, чтобы в РВЭУ ротор был бы разделен на части, по меньшей мере, одной дополнительной разделительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами. Технологично, чтобы в РВЭУ части ротора, разделенные разделительной диафрагмой, имели бы различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветроколеса к периферии ротора. Задача достигается также и тем, что в РВЭУ части ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга. 2 3060 1 Возможно также, чтобы в РВЭУ боковая поверхность ротора была бы выполнена с различными значениями параметра шероховатости, величина абсолютного значения которого уменьшается от серединного участка тела ротора к его периферии. Предпочтительно, чтобы в РВЭУ концевые диафрагмы в диаметральном сечении были бы выполнены образного профиля. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид РВЭУ,фиг. 2 - вариант исполнения ротора,фиг. 3 - зависимость мощности РВЭУ от угла конусности,фиг. 4 - зависимость мощности от соотношения радиуса ветрового колеса с длиной ротора. Роторная ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель 1, ветровое колесо 2 которого с горизонтальным валом 3 отбора мощности имеет смонтированные посредством радиальных несущих опор 4 радиально расположенные конусообразные роторы 5 с концевыми диафрагмами 6, при этом конуса 7 роторов 5 обращены большими основаниями 8 к валу 3 отбора мощности, а меньшими основаниями 9 - к периферии ротора 5 и выполнены с углом конусности в пределах 2 - 4. Вал 3 отбора мощности через подшипниковые опоры 10, редуктормультипликатор 11 кинематически связан с генератором 12 электромашины. Ветродвигатель 1 посредством поворотной головки 12 смонтирован на опоре 13 с возможностью вращения в режиме флюгера. Длина радиусаветрового колеса 1 от оси - вращения вала 2 отбора мощности до сечения с наибольшим диаметром 8 ротора 5 связана с длиной Н ротора 5 следующим соотношением(0,6 - 0,9)Нр,где- расстояние от оси вращения вала отбора мощности до сечения с наибольшим диаметром ротора ветроколеса Нр - длина ротора. Ротор 5 разделен на части, по меньшей мере, одной дополнительной разделительной диафрагмой 15 (по фиг.2 вариант исполнения ротора 5 с двумя разделительными диафрагмами 15), расположенной на теле ротора 5 между концевыми диафрагмами 6. Части тела ротора 5, разделенные разделительной диафрагмой 15, могут быть выполнены с различными углами 1, 2, 3 конусности, величина которых уменьшается от центра ветроколеса 1 к периферии ротора 5. Роторы 5 снабжены приводами 14 вращения роторов 5, при этом возможен вариант исполнения, в котором части тела ротора 5, разделенные диафрагмами 15, могут быть выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси О 1-О 1 ротора 5 и друг относительно друга посредством автономных приводов 16. Для улучшения аэродинамических характеристик боковая поверхность 17 ротора 5 выполнена с различными значениями параметра шероховатости, величина абсолютного значения которого уменьшается от серединного участка 18 тела ротора 5 к его периферии с меньшим основанием 9. Для повышения стационарности аэродинамических характеристик ротора 5 вдоль его образующей поверхности концевые диафрагмы 6 в диаметральном сечении выполнены -образного профиля, плавно сопряженного с большим 8 и меньшим 9 основаниями ротора 5. Работу роторной ветроэнергетической установки осуществляют следующим путем. На основании показаний метеостанции включают приводы 14 вращения роторов 5 вокруг собственной оси, вследствие чего на основании эффекта Магнуса вокруг образующей поверхности ротора 5 осесимметричное поле собственного воздушного потока взаимодействует с набегающим ветровым потоком, при этом точка отрыва набегающего потока смещается с тыльной стороны образующей роторов 5 на боковую сторону образующей по отношению к фронту набегающего потока. В связи с этим возникает подъемная сила вращения ветроколеса вокруг собственной оси. При достижении ветроколесом 1 скорости, соответствующей генераторному режиму генератора 12, включается возбуждение последнего и осуществляется выработка электрической энергии, которую подают или в электросети, или непосредственно потребителю энергии. Проведенные авторами аэродинамические испытания заявленной РВЭУ и известных иллюстрируются графиками фиг. 3 и фиг. 4, из которых следует, что при конструировании РВЭУ с конусообразными роторами 5 (3) и цилиндрическими роторами показатель мощности (Р ) наиболее низкое значение имеет для роторов 5 конусообразных, обращенных большими основаниями к периферии ветроколеса 2 (правая часть графика относительно оси У при ( 3). По сравнению с роторами цилиндрический формы (0) конструкция конусообразных роторов 5 по изобретению (-3 - левая часть графика фиг. 3) обеспечивает прирост показателя мощности (Р ) РВЭУ более 30. Сравнительные испытания РВЭУ (фиг. 4) известных и заявленной конструкций роторов показало, что оптимальное значение параметра соотношения радиусаветрового колеса 2 к длине Нр ротора 5 равно 0,75 и лежит в интервале (0,6 - 0,9). При этом показатель мощности (Р ) приближается к 100 . Применение в заявленной конструкции ротора 5 концевых диафрагм 6, в диаметральном сечении выполненных -образного профиля, способствует, как показали натурные испытания, устранению перетока воздушного потока по торцам ротора 5 из более высокой области давление в более низкую область давления,что также направлено на повышение коэффициента использования мощности воздушного потока. 3060 1 Конструирование ротора с применением дополнительных разделительных диафрагм 15 позволяет по сравнению с известными конструкциями стабилизировать процессы перетока воздушного потока вдоль образующей конусообразной поверхности ротора 5. Деление ротора 5 разделительными диафрагмами 15 на части с приводами 16 с возможностью автономного вращения частей друг относительно друга обеспечивает постоянство линейной скорости воздушного потока в зоне, прилегающей к конической образующей поверхности вращения ротора 5. Вращение частей ротора 5 с рассогласованием окружных скоростей 1, 2, 3 для различных радиусных участков роторов 5 позволяет достигнуть постоянства линейных скоростей 1231 2 х 233. Такое выполнение роторов 5 позволяет организовать на поверхности ротора 5 возможность управления распределением воздушного потока и варьировать величиной его давления вдоль образующей поверхности конуса ротора 5. Для улучшения аэродинамических характеристик ротора 5 и в целом ветроколеса 2 боковая поверхность 17 ротора 5 может быть выполнена с градиентом высоты параметра шероховатости ( от значения в микронах до значения в миллиметрах). Одним из вариантов выполнения параметра шероховатости в серединной зоне ротора 5 может быть чешуйчатая поверхность с регулируемой высотой чешуй и возможностью изменения их угла наклона как в сторону вращения ветроколеса, так и в сторону, противоположную направлению вращения ротора 5. Выполнение на поверхности ротора 5 шероховатости такой конструкции позволит также управлять крутящим моментом ветроколеса 2. Как следует из анализа признаков заявленного изобретения, каждый из них в отдельности и все вместе направлены на повышение коэффициента использования мощности ветрового потока, сметаемого ветроколесом 2. На дату подачи заявки роторная ветроэнергетическая установка изготовлена в металле и проходит промышленные испытания. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.