Ветроэнергетическая установка

3. Абрамовский Е.Р. И др. Аэродинамика ветродвигателей Учеб. пособие. - Днепропетровск Днепропетровский государственный университет, 1987. - С. 111, 123-129, 160, 162.Полезная модель относится К механике, к области конструирования ветроэнергетических установок, и может быть использована в различных областях хозяйственной деятельности.Основу современной ветроэнергетики составляют ветроэнергетические установки(ВЭУ) лопастного типа. Существенным недостатком, ограничивающим возможности использования лопастных ВЭУ, является их небольшая производительность в регионах с ярко выраженным континентальным климатом, характеризующимся невысокими скоростями ветра. Основные недостатки лопастных ВЭУ низкий крутящий момент ветроколеса из-за малой движущей силы лопастей при скоростях ветра 2-6 м/с малая суточная продолжительность работы лопастных ВЭУ не более 5-8 ч, что снижает выработку энергии главный показатель работы ВЭУ относительно высокая окружная скорость вращения ветроколеса, превышающая в несколько раз скорость ветра, что создает дискомфортные звуковые частоты и повышенную экологическую и эксплуатационную опасность, уменьшает жизненный цикл службы ВЭУ.Известны конструкции, самозапускающихся ветроэнергетических установок, содержащие ротор лопастного типа с горизонтальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти каплевидного аэродинамического сечения.Лопасть имеет устройство, обеспечивающее высокие аэродинамические характеристики при большом сопротивлении реверсивного потока и большом перемещении центра давления,благодаря чему запуск ротора возможен при относительно малой скорости ветра 1.Устройство реализует способ управления отбора мощности ветрового потока, ометаемого ветроколесом ВЭУ путем изменения парусности лопасти и частоты вращения ветроколеса.Известный объект обеспечивает постоянство подъемной силы на ветророторе.Недостаток известного объекта проявляется в том, что он не обеспечивает оптимизации набегающего ветрового потока и соответственно снижает возможности достижения оптимального значения мощности ВЭУ.Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветроэнергетическая установка, содержащая опору, энергетический блок с планетарным редуктором и генератором, лопастной ветроротор репеллерного типа, горизонтальной оси вращения с двумя и более криволинейными лопастями каплевидного аэродинамического профиля. Работа ВЭУ основана на способе управления отбором мощности ветрового потока ометаемого ветроколесом, включающем формирование вихревого потока в форме геликоида с подветренной стороны ветроротора, уплотненного по периметру к подветренной к ветроротору зоне 2.Известный объект характеризуется достаточно высоком значении коэффициента использования энергии ветра до 0,45 при скоростях ветрового потока 11-15 м/с.Недостаток известной ВЭУ в значительной величине сопротивления индуктивного потока в зоне работы ВЭУ под воздействием формирования упорядоченного ламинизированного укороченного следового шлейфа следующим. Это связано со скачкообразным изменением давления ветрового потока Р при переходе через плоскость вращения ветроротора и соответственно с потерей механической энергии ветрового потока в процессе преобразования ламинарного характера течения потока В в винтообразный турбулизированный Г. Это влияет на величину кинетической энергии потока.Поэтому фактически использованная энергия ветра ограничивается Ыф коэффициентом использования энергии ветра.В лучших образцах известных ВЭУ коэффициент использования ветра достигает Ыф 0,45. Причем оценку конструктивных энергетических показателей осуществляют по коэффициентам моментов окружных сил.В основу полезной модели положена задача увеличения производительности при отборе мощности ветрового потока ветроротора ВЭУ, путем создания новой аэродинамики ветроротора за счет образования струйного окружного геликоидо-направленного дополнительного вихревого потока вдоль внешней образующей рабочего ветрового потока и улучшение экологии.Поставленная задача достигается тем, что в ветроэнергетической роторной установке,содержащей опору, энергетический блок с планетарным редуктором и генератором, лопастной ветроротор, согласно полезной модели, концы лопастей снабжены интерцепторами,которые выполнены в виде геликоидов, а продольные оси лопастей наклонены к оси вращения ветроротора, с возможностью образования конфузора вращения.Предпочтительно, чтобы в ветроэнергетической роторной установке продольные оси соседних лопастей наклонены к оси вращения ветроротора под углами разной величины,при этом концы соседних разноугловых лопастей присоединены к противоположным концам одного геликоида, с возможностью образования лопастного тандема в виде конфузора вращения.Возможно, чтобы в ветроэнергетической роторной установке лопасть выполнена в виде лопасти вертолета.Технологично, чтобы в ветроэнергетической роторной установке интерцептор вь 1 полнен в форме желобчатого геликоида.Конструктивно, чтобы в ветроэнергетической роторной установке интерцептор был бы присоединен к концу лопасти вогнутой поверхностью геликоида.Желательно, чтобы в ветроэнергетической роторной установке продольная ось желобчатого геликоида не лежала в поверхности вращения конфузора ветроротора.Технологично, чтобы в ветроэнергетической роторной установке ветроротор снабжен механизмом изменения угла установки ветроротора относительно ветрового потока.Полезная модель поясняется чертежами.Фиг. 1 - диаграмма формирования ветрового потока в области работы плоского репеллерного ветроротора (прототип).Фиг. 2 - диаграмма зональной зависимости давления воздушных масс от скорости ветрового потока по фиг. 1.Фиг. 3 - диаграмма зональной зависимости давления воздушных масс от скорости ветрового потока по изобретению.Фиг. 4 - характер течения воздушных масс в зоне соединения лопасти с интерцептором.Фиг. 5 - диаграмма энергетических характеристик по прототипу и по заявленному объекту.Фиг. 6 - общий вид заявленного устройства с однокрыльчатой лопастью, вид сбоку.Фиг. 8 - диаграмма сил и скоростей на профилях лопасти в сечениях Л-Л, Э-Э, Н-Н и интерцептора.Фиг. 9 - общий вид устройства с двухкрыльчатой лопастью, вид сбоку.Фиг. 10 - общий вид устройства с двухкрыльчатой лопастью, фронтальная проекция.Ветроэнергетическая установка по прототипу по фиг. 2 содержит ветроротор 1 с лопастями 2. Заявленная ветроэнергетическая установка по фиг. 3, 4, 6-10 содержит обтекатель 3,ветроротор 4 с наклонными лопастями 5, интерцепторами в виде геликоидов, преимущественно конусоидов 6 с желобами 7 (желобчатого сечения), направленными к центру вращения ветроротора 4. Лопасти 5 закреплены на ступицах 8 в поворотных механизмах 9, связанных с устройством управления 10 углов установки лопастей 5. Ступица 8 валом 11 соединена черезДвухкрь 1 льчать 1 е лопасти 18 по фиг. 9, 10 коренной частью крыльев 19, 20 крепятся жестко в ступице 8, а периферийно частью к концам желобчать 1 х конусоидов 6. Подшипниковый узел 16 соединен с опорой 17 через шарнирное основание 21 с винтовым приводом 22 управляемым мотор-редуктором 23.Работа ВЭУ осуществляется следующим образом.Ветровой поток В, по фиг. 3, 4, 8, набегая на ветроротор 4, огибает обтекатель 3 и воздействует на лопасти 5 желобчать 1 х конусоидов с осевой суммарной силой Т Т 1-Т 2, где Т 1 и Т 2 силы воздействия ветрового потока В на лопасть 5 и желобчатый конусоид 6 соответственно. Под воздействием этих сил на лопасть 5 и конусоид 6 возникают результирующие окружные силы 91 и 92, величина которых зависит от скорости П ветрового потока В и результирующих скоростей 71 и 72, изменяемых под воздействие угла ос атаки лопасти 5 и конусоида 6. Угол ос меняется поворотным механизмом 9 по управляющему сигналу от устройства 10 управления. Для лопасти 5 угол ос равен разности угла установки профиля (р (угол между хордой и плоскостью В вращения) и вертикальной плоскостью вращения.На диаграмме по фиг. 8 рассмотрены только суммарные силы 91 и 92. Каждая составляющая этих сил (191 и (192 характерна для каждого сечения Л Л, Э-Э, Н-Н на профилях вдоль лопасти 5 и конусоида 6. Для лопасти 5 эта зависимость определяется круткой и характеристикой соответствующего профиля и характерна по величине геликоидальной крутке и конусности угла у поверхности вращения конусоида 6 относительно горизонтальной оси вращения ветроротора.В каждом указанном сечении лопасти 5 бУ 1 и бУ 2 бХ 1 и бХ 2 различны по величине,но суммарные подъемные силы У 1, У 2 Х 1, Х 2 и лобовое сопротивление лопастей 5 и конусоидов 6 стабильны при постоянной скорости ветрового потока В и неизменной регулировки угла ос установки.Регулировка энергетических характеристик электрического тока электрогенератора 13 обеспечивается изменением угла ос атаки лопасти 5. При возникновении аварийных штормовых скоростей ветра устройство 10 разворачивает, предпочтительно вертолетные, лопасти 5 с конусоидами 6 в положение наименьшего сопротивления ветру.Ветроэнергетическая установка с двухкрыльчатыми лопастями 18 по фиг. 9, 10 наиболее эффективна при использовании в районах подверженных шквальным ветрам. При шквальных ветрах быстродействие изменения углов установки лопастей 5 с конусоидами 6 ВЭУ по фиг. 6, 7 не всегда достаточно и может привести к аварийному разрушению ветроротора. Применение в конструкции лопасти 18 двух крыльев 19 и 20, расходящихся от ступицы 8 к концам интерцепторов-конусоидов 6 образует замкнутую жестко-треугольную конструкцию типа фермы, гарантировано застрахованную от разрушения при шквальном порыве ветра.Увеличение с Ь 1 тс г 2 - коэффициента заполнения ветроротора снижает скорость вращения ветроротора, но увеличивает момент сил на валу ветроротора за счет дополнительной подъемной силы второго крыла.Поддержание стабильности мощности и частотной характеристики генератора 13 достигается наклоном оси вращения ветроротора 4 относительно направления ветрового потока В путем опрокидывания ветроротора 4 на шарнирном основании 21 под воздействием винтового привода 22. При таком конструктиве пропорционально изменяется как площадь ометаемой ветроротором поверхности ветрового потока В, так и аэродинамические характеристики лопастей 13 и конусоидов 6.Качественные показатели ВЭУ оцениваются коэффициентом мощности Ср, т.е. соотношением мощности По набегающего на ветроротор ветрового потока к вырабатываемой ветроротором мощности М.Теоретический предел 3, с. 162 которого может достигнуть ветроротор Ср шах 16/27 0,59. В общем виде коэффициент мощности сечения ветроротора представляет собой зависимость3, с. 160, где из теории элементарных струй 3, с. 123-129.г - радиус оцениваемого сечения ветрового потокао) - угловая скорость вращения ветроротораПо - скорость набегающего ветрового потока (скорость ветра)ос, Су, Сх - угол атаки и соответствующие ему коэффициенты подъемной силы (окружной силы) и силы лобового сопротивления профиля сеченияЬ - проекция лобовой к ветровому потоку площади сечения лопастей ветроротораКоэффициент использования мощности имеет четко выраженный максимум при определенных значениях 2 колеблется от О,15-О,5. Наибольшее значение Ср реализуется на горизонтально осевых ветроторах репеллерного типа при больших значениях 2, т.е. при вь 1 соких скоростях ветра и малом количестве лопастей (1 13). Многолопастные (лопастей больше 3) и тихоходные ветророторы, предназначенные для климатических условий с невысокими скоростями ветра, имеют значение Срмах О,25 О,3, причем этот мах. приходится на малые значения 2.Указанные значения ограничения Срмах объясняется сопротивлением индуктивных потоков П 1 (фиг. 1) (с подветренной от ветроротора стороны) набегающего на ветроротор(с наветренной стороны) активному ветровому потоку По.На фиг. 1 приведена диаграмма скоростных режимов работы плоского ветротора (репеллерного ветроколеса) при переменных значениях По и П 1 1, с. 154. Причем переход рабочих процессов хорошо просматривается на диаграмме изменения давления Р-Ро воздушных масс в зависимости от скорости течений активных ветровых В и индуктивных Б потоков в окрестности плоского репеллерного ветроротора 3, с. 111.Величина давления р (фиг. 2) изменяется скачкообразно при переходе через плоскость вращения ветроротора. Это объясняется потерей механической энергии потока В при передаче ее лопастям. На большом расстоянии до ветроротора и после по потоку давление равно ро. Скорость течения П воздушной массы изменяется плавно от По к П 1, что влияет на величину кинетической энергии потока, оцениваемой выражением. Массовоздушный расход ш определяется через скорость ветра и площадь соответствующего сечения ветрового потокаЭнергия невозмущенного потока, проходящего через ометаемую ветротором поверх ность 52, определяется по формулегде р - плотность воздуха в зоне вращения ветроротора. Подводимая к ветроротору энергия потока пропорциональна кубу скорости набегающего потока В.За сечением 1 ветроротора образуется сложная вихревая масса. В этой массе можно выделить, по крайней мере, три основных группы вихрей.Осевой корневой вихрь Е, возникающий за счет винтовой закрутки текущего ветрового потока вдоль оси ветроротора свободный геликоидальный вихрь Г, образующий гели МО 5,