Ветроколесо

Ветроколесо

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: использование энергии ветра в широком диапазоне его скоростей. Сущность изобретения: ветроколесо имеет ротор, например ротор Савониуса, и профилированные лопасти, расположенные по окружности снаружи ротора и вдоль оси вращения , причем диаметр ротора больше средней аэродинамической хорды лопасти, но не превышает величину D/a - с и, где D - диаметр окружности расположения лопастей: I b/D - коэффициент заполнения; i - количество лопастей; b - средняя аэродинамическая хорда лопасти; а 4,30 и с 2.35 - числовые коэффициенты. 5 ил.

(sl)5 F 03 О 3/06

Комитет Российской Федерации но патентам и товарным знакам

fjikYEHTtlg т. g&

БИБб )gg

К ПАТЕНТУ

О

О

О

Ф !

Ю ï

О) е 0„Щ4 й

2,- — - -= — — -) при

2 Ч V макс (21) 5041160/06 (22) 06.05.92 (46) 07,09,93, Бюл, М 33 — 36 (76) Волосов Д.Р„Русецкий В.С., Рафаилов

А.Г., Резниченко В,И., Артемьев А.В. (54) ВЕТРОКОЛЕСО (57) Использование: использование энергии ветра в широком диапазоне его скоростей.

Сущность изобретения: ветроколесо имеет ротор, например ротор Савониуса, и профиИзобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроколес, состоящих из ветряных роторов карусельного тиа (типа роторов Савониеса). сопряженных с профилированными лопастями, образующими в свою очередь роторы типа Дарье и Масгроува.

Известны ветроколеса с вертикальной осью вращения, имеющие горизонтальные траверсы, на концах которых закреплены профилированные лопасти, образующие так называемый ротор Дарье. Между осью вращения и лопастями установлены с возможностью перемещения вдоль траверс лопатки карусельного ротора (типа ротора

Савониуса).

Лопасти ротора имеют большие удлинение, площадь и массу, их перемещение при регуллровании скорости вращения ветроко. еса вызывает большие аэродинамические

);; руз,;и, что снижает надежность работы.

Кроме о о, лопасти ротора Савониуса аэродинлмичес>.и затенены лопастями, а это лированные лопасти, расположенные по окружности снаружи ротора и вдоль оси вращения, причем диаметр ротора больше средней аэродинамической хорды лопасти, но не превышает величину D/à — c* о, где D — диаметр окружности расположения лопастей; 1* Ь/D — коэффициент заполнения; i— количество лопастей; Ь вЂ” средняя аэродинамическая хорда лопасти; а = 4,30 и с = 2,35— числовые коэффициенты. 5 ил. приводит к снижению эффективности использования энергии ветра.

Указанные недостатки частично устранены в известном ветроколесе, содержащем установленный на оси вращения ветряной ротор и жестко связанные с ним лопасти, расположенные вдоль оси по окружности снаружи ротора и выполненные в своих поперечных сечениях в форме аэродинамического профиля. Лопасти закреплены на лопатках ротора, т.е. диаметр D окружности расположения лопастей равен диаметру

Dp ротора. Как известно, номинальное число модулей 2) ветряного ротора (отношение окружной скорости ротора к скорости ветра при наибольшем коэффициенте максимального использования энергии ветра. т.е. где A) — круговая частота вращения ротора;

V — скорость ветра) близко к единице, так как лопасти воспринимают скоростной на20004б9 пор ветра и перемещаются со скоростью, не превышающей скорости ветра. Номинальное число модулей лопастей, образующих ротор Дарье, выше единицы и зависит от коэффициента заполнения

i b

0 = — у-, где! — число лопастей;

b — средняя аэродинамическая хорда лопасти, Поэтому в известном ветроколесе лопатки ветряного ротора при работе мешают перемещению лопастей и тормозят ветроколесо, а это существенно снижает его коэффициент использования энергии ветра (. Кроме того, в этом ветроколесе ветряной ротор, обладая большим диаметром, создает избыточный момент, позволяющий начать раскручивание ветроколеса при небольших скоростях ветра и тормозящий ветроколесо при незначительном увеличении скорости ветра. 8се это значительно снижает диапазон рабочих скоростей ветроколеса.

Целью изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра и расширение диапазона рабочих скоростей.

Для этого необходимо диаметр ротора выбирать в диапазоне, обеспечивающем высокий пусковой момент для начала работы ветроколеса при малых скоростях ветра и высокий коэффициент использования энергии ветра во всем, вироком диапазоне его скоростей в зависимости от средней аэродинамической хорды Ь лопасти, определяющей пусковой момент, и коэффициенi b та заполнения о=, определяющего номинальное число модулей Z< лопастей и, как следствие, высокий коэффициент использования энергии ветра ветроколеса.

Такой выбор ранее неизвестен, что свидетельствует о его новизне и позволяет достичь цель.

На фиг.1 представлены графики зависимостей коэффициента использования энерв*й гии ветра от числа модулей Z - †1 †лопастей, образующих ротор типа Дарье, при различных коэффициентах заполнения

i®Ь о = — —, полученных в результате расчетов на ЭВМ по импульсной теории и подтвержденных в результате экспериментов в аэродинамической трубе; на фиг.2 представлена зависимость номинального числа модулей Z от коэффициента о, полученная из графиков фиг.1 и аппроксимированная по методу наименьших квадратов прямой а — с о, где а - 4, 30, с - 2,35 — числовые коэффициенты; на фиг.3 изображена ветроэнергетическая установка, содержащая предлагаемое ветроколесо; на фиг.4 — то же, установка с входящими в нее элементами, в аксонометрии; на фиг.5 даны сечения А — А и

Б — Б на фиг,4.

Для обеспечения достаточно большого пускового момента, чтобы ветроколесо начало вращаться при малых скоростях ветра, необходимо диаметр 0р установленного на оси 1 вращения ветряного ротора 2 выбрать

"5 большим средней аэродинамической хорды лопасти 3. При этом лопасть 3 в остановленном положении ветроколеса не затеняет ро.тор 2. С другой стороны, чтобы обеспечить максимальный коэффициент использования

30

55 энергии ветра (маркс, необходимо, чтобы ротор 2 и лопасти 3 работали при номинальных числах модулей 2н (см. фиг.1 и 2). У ротора 2 это число составляет единицу, т.е, Z,M«Р — - 1, у лопастей 3 согласно фиг.2

N*R

Z< - — Ч à-c*î.

О

Приравнивая комплексы 7, получаем и 1 а — c+o — — —, откуда Вр

RS

R или 0

0 а -c+a а — с сГ

Последняя величина и определяет вторую границу диапазона, из которого необходимо выбирать диаметр ротора 2, чтобы обеспечить высокий коэффициент использования энергии ветра и широкий диапазон рабочих скоростей ветра, т.е.

Ь<0 (0 а — с «о

При этом лопасти 3 расположены вдоль оси 1 по окружности снаружи ротора 2 и выполнены в своих поперечных сечениях в форме аэродинамического профиля 4.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) с предложенным ветроколесом содержит также генераторный блок 5 и опорную вышку

6. Ветроколесо, например, может быть устроено следующим образом, К оси 1 в верхней и нижней частях жестко крепятся четыре горизонтальные траверсы 7, на консолях которых шарнирно подвешены две прямые вертикальные лопасти 3 с аэродинамическими шайбами 8. В полости каждой траверсы 7 на ее концах расположен центробежный регулятор 9, соединенный тягами через прорези в траверсе 7 со щитками 10 аэродинамического торможения, попарно

2000469 подвешенными сверху и снизу траверсы 7, Узлы соединения траверс 7 и лопастей 3 закрыты обтекателями 11. В верхней части оси 1 установлен приемник молниезащиты

12. Ротор 2 состоит из двух зеркальных по- 5 ловин и крепится на оси 1 ближе к нижним траверсам 7. Ось 1 через фланцевый фитинг

13 соединен с генераторным блоком 5, представляющим собой силовую пространственную рамку 14, на которой крепятся ге- 10 нераторы 15, кинематически соединенные клиновыми ремнями со шкивом 16 мультиплексора. Под шкивом 16 расположен ленточный тормоз 17. Сам генераторный блок 5 расположен в силовой оболочке 18, которая 15 вместе с конической трубой 19 выполнена из композиционного материала и составляет опорную вышку 6. Ось 1 соединена со шкивом 16 мультипликатора через обгонно-центробежную муфту 20. Сверху генера- 20 торный блок 5 закрыт крышкой 21. Опорная вышка 6 устанавливается вертикально к плоскости земли при помощи трех расчалок

22, Сечения горизонтальных траверс 7 имеют многозамкнутые силовые профили, соот- 25 ветствующие необходимому аэродинамическому обводу. Поперечное сечение траверсы 7 состоит из прямоугольного многоступенчатого кессона 23 и обтекателей 24. Поперечное сечение лопа- 30 сти 3 представляет собой интегральную, оболочку, состоящую из многостеночного кессона 25, лобового обтекателя 26 и хвостовой части 27, изготовленных из стеклопластика за один цикл формования и 35 вспененного пенопласта 28 в полости хвостовой части лопасти 3.

Работает ВЭУ следующим образом, По достижении скорости ветра выше порога срабатывания ротор 2 начинает рас- 40 кручивать ветроколесо. По достижении частоты вращения, соответствующей устойчивой работе ветроколеса и генераторов 15, обгонно-центробежная муфта 20 передает крутящий момент на шкив 16, 45 соединенный посредством клиноременной передачи с генераторами 15. Последние вырабатывают электроэнергию мощностью, пропорциональной третьей степени скорости ветра, причем автоматическая система 50 управления ВЭУ регулирует электрический ток в обмотках возбуждения генераторов 15 таким образом, что на выходных клеммах генераторов 15 поддерживается постоянное напряжение. В зависимости от снимаемой в каждый момент времени электрической мощности с генераторного блока 5 и располагаемой механической мощности ветроколеса автоматическая система управления подключает к общей электрической цепи и запитывает обмотку возбуждения одного, нескольких или всех генераторов 15 (на фиг.4 показано три генератора, их количество зависит от максимальной электрической мощности каждого генератора при заданной общей электрической мощности

ВЭУ). По достижении скорости ветра, соответствующей максимально допустимой частоте вращения генераторов 15, центробежный регулятор 9 начинает отклонять прижатые к траверсам 7 щитки 10 аэродинамического торможения, увеличивая лобовое сопротивление ветроколеса. В итоге достигается ограничение предельной частоты вращения ветроколеса при избыточной мощности ветрового потока. В случае падения частоты вращения ветроколеса, что может наблюдаться в период между сильными порывами ветра, обгонно-центробежная муфта 20 расцепляет шкив 16 генераторного блока 5 и ось 1, тем самым не допуская полного останова ветроколеса, если в данный момент времени с генераторов 15 снималась большая электрическая мощность. Ленточный тормоз 17 служит для стопорения ветроколеса при любом ветре с целью профилактических работ и т.п. или автоматически срабатывает при выходе из строя регулятора 9.

Формула изобретения

Ветроколесо, содержащее установленный на оси вращения ротор и жестко связанные с ним лопасти, поперечное сечение которых имеет аэродинамический профиль, о т л и ч а ю щее с я тем, что диаметр ротора определяется из соотношения

b а <О а -с*о где Ь вЂ” средняя аэродинамическая хорда;

D — диаметр окружности расположения лопастей: ф Д

o = — — — коэффициент заполнения;

i — количество лопастей; а. с — числовые коэффициенты, равные соответственно 4,30 и 2,35, 2000469

2000469

2000469

2000469

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Редактор Т,Юрчикова

Заказ 3072

Составитель Д.8олосов

Техред М,Моргентал Корректор С.Шекмар

Тираж Подписное

H f10 "?1оиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5