Ветроагрегат

Заявляемая полезная модель относится к области ветроэнергетики. Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности ветроагрегата и уменьшение его габаритов. Задача решается тем, что в ветроагрегате, содержащем ветротурбину с устройством авторегулирования скорости ее вращения и осесимметричное центральное тело, установленные в рабочем канале с конфузором на входе и диффузором на выходе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения ветроагрегата, рабочий канал образован охватывающим, осесимметричное центральное тело кольцевым обтекателем, закрепленным на подкосах, соединенных с размещенной внутри осесимметричного центрального тела силовой рамой, на которой установлены ветротурбина, электрогенератор и узел вращения, а узел ориентации выполнен в виде по меньшей мере двух профилированных килей, расположенных под углом к продольной оси ветроагрегата. Задача решается и тем, что в ветроагрегате внутренняя поверхность кольцевого обтекателя образована вращением вокруг его продольной оси несимметричного крыльевого профиля, обращенного выпуклой частью к продольной оси ветроагрегата с образованием конфузора на входе и диффузора на выходе рабочего канала, а также и тем что кольцевой обтекатель соединен с подкосами шарнирно. При этом ветротурбина установлена непосредственно на электрогенераторе, а узел вращения расположен на силовой раме вблизи продольной оси ветроагрегата. Задача решается также и тем, что устройство авторегулирования скорости вращения выполнено с возможностью регулирования угла установки лопастей ветротурбины, а на задней кромке обтекателя наружу от него размещены лепестки, имеющие дугообразную форму в поперечном сечении и прямоугольную форму в плане и расположенные выпуклой частью в сторону передней кромки кольцевого обтекателя. Задача решается также и тем, подкосы кольцевого обтекателя имеют в поперечном сечении форму капли, а также и тем, что кили узла ориентации расположены так, что расстояние между ними превышает максимальный диаметр кольцевого обтекателя. Полезная модель найдет широкое применение во всех отраслях, где имеется потребность в высокоэффективных и относительно малогабаритных нетрадиционных источниках получения электрической энергии.

1 н.п.ф., 8 з.п.ф., 4 Фиг.

Заявляемая полезная модель относится к области ветроэнергетики, а, именно, к устройствам для получения электроэнергии нетрадиционным способом.

Известна ветроэлектрическая установка, содержащая два ветроколеса, установленные внутри имеющего диффузорное расширение для каждого из ветроколес корпуса и конфузор на входе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения (патент РФ 2076946). Конструкция установки не обеспечивает необходимую устойчивость в работе и достаточно громоздка и сложна в изготовлении.

Известна ветросиловая энергоустановка вращающегося типа, содержащая ветротурбину с устройством авторегулирования скорости ее вращения и осесимметричное центральное тело, установленные в рабочем канале с конфузором на входе и диффузором на выходе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения ветроагрегата (патент РФ 2156885) и являющаяся наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели.

Конструкция данной энергоустановки обладает значительными габаритами и не обеспечивает требуемую эффективность из-за снижения скорости потока в выходной части.

Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности ветроагрегата и уменьшение его габаритов.

Задача решается тем, что в ветроагрегате, содержащем ветротурбину с устройством авторегулирования скорости ее вращения и осесимметричное центральное тело, установленные в рабочем канале с конфузором на входе и диффузором на выходе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения ветроагрегата, рабочий канал образован охватывающим осесимметричное центральное тело кольцевым обтекателем, закрепленным на подкосах, соединенных с размещенной внутри осесимметричного центрального тела силовой рамой, на которой установлены ветротурбина, электрогенератор и узел вращения, а узел ориентации выполнен в виде по меньшей мере двух профилированных килей, расположенных под углом к продольной оси ветроагрегата.

Задача решается и тем, что в ветроагрегате внутренняя поверхность кольцевого обтекателя образована вращением вокруг его продольной оси несимметричного крыльевого профиля, обращенного выпуклой частью к продольной оси ветроагрегата с образованием конфузора на входе и диффузора на выходе рабочего канала, а также и тем что кольцевой обтекатель соединен с подкосами шарнирно. При этом ветротурбина установлена непосредственно на электрогенераторе, а узел вращения расположен на силовой раме вблизи продольной оси ветроагрегата.

Задача решается также и тем, что устройство авторегулирования скорости вращения выполнено с возможностью регулирования угла установки лопастей ветротурбины, а на задней кромке обтекателя наружу от него размещены лепестки, имеющие дугообразную форму в поперечном сечении и прямоугольную форму в плане и расположенные выпуклой частью в сторону передней кромки кольцевого обтекателя.

Задача решается также и тем, подкосы кольцевого обтекателя имеют в поперечном сечении форму капли, а также и тем, что кили узла ориентации расположены так, что расстояние между ними превышает максимальный диаметр кольцевого обтекателя.

Полезная модель поясняется чертежами (Фиг.1-4). На Фиг.1 представлен общий вид ветроагрегата (вид сбоку), на Фиг.2 - вид по стрелке А, на Фиг.3 - вид по стрелке Б, на Фиг.4 - сечение В-В. Представленный на чертежах ветроагрегат содержит кольцевой обтекатель 1, внутренняя поверхность которого получена вращением вокруг продольной оси О-О ветроагрегата несимметричного крыльевого профиля 2, обращенного выпуклой частью внутрь кольцевого обтекателя 1. По периметру задней кромки кольцевого обтекателя 1 размещены лепестки 3, имеющие дугообразную форму в поперечном сечении и прямоугольную форму в плане и расположенные выпуклой частью в сторону передней кромки кольцевого обтекателя 1. Кольцевой обтекатель 1 установлен на силовой раме 4 с помощью четырех подкосов 5, причем подкосы 5 закреплены на силовой раме 4 жестко, а с кольцевым обтекателем 1 связаны с помощью шарниров 6 (Фиг.1 при снятых с кольцевого обтекателя крышках, закрывающих шарниры при работе ветроагрегата). На силовой раме 4 со смещением к передней кромке кольцевого обтекателя 1 относительно подкосов 5 установлен также электрогенератор 7 со ступицей 8 ветротурбины 9. На ступице 8 ветротурбины 9 установлены лопасти 10 и устройство 11 авторегулирования частоты вращения ветротурбины 9, представляющее собой центробежный регулятор угла установки лопастей, имеющий в своем составе центробежные механизмы рабочего и реверсивного режимов. За подкосами 5 ближе к задней кромке кольцевого обтекателя 1 на силовой раме 4 закреплен также узел вращения 12, обеспечивающий разворот ветроагрегата относительно стойки 13.

Силовая рама 4, электрогенератор 7, ступица 8 ветротурбины 9, устройство 11 авторегулирования частоты вращения ветротурбины 9 и узел вращения 12 закрыты осесимметричным центральным телом 14. Форма внутренней поверхности кольцевого обтекателя 1 и наружной поверхности осесимметричного центрального тела 14 формируют на входе в кольцевой обтекатель 1 перед лопастями 10 ветротурбины 9 конфузорный канал 15, а на выходе из кольцевого обтекателя 1 позади лопастей 10 ветротурбины 9 - диффузорный канал 16. Полученная в результате форма рабочего канала позволяет существенно уменьшить габариты ветроагрегата.

На подкосах 5 и силовой раме 4 закреплены фермы 17 хвостового оперения, оснащенные килями 18, имеющими поперечное сечение в виде симметричного крыльевого профиля 19, расположенного так, что его хорда находится под углом к продольной оси ветроагрегата, а расстояние L между задними кромками профилей 19 не должно быть меньше максимального диаметра D кольцевого обтекателя 1. Величина угла установки киля 17 выбирается из условия оптимизации угловой скорости разворота ветроагрегата на ветер, обеспечиваемой хвостовым оперением при различных скоростях и направлениях ветра.

Принцип работы ветроагрегата

При возникновении воздушного потока, вектор скорости которого не совпадает с продольной осью О-О ветроагрегата, один из килей 17 хвостового оперения всегда оказывается в свободном потоке, не заторможенном конструкцией ветроагрегата, что повышает эффективность его работы. При этом на киле 17 возникает подъемная сила, направленная в сторону продольной оси ветроагрегата и создающая момент, стремящийся совместить направление продольной оси ветроагрегат с направлением вектора скорости воздушного потока, разворачивая ветроагрегат в узле вращения 12 относительно стойки 13. Подъемная сила возникает на киле 17 даже при весьма незначительных углах отклонения вектора скорости воздушного потока от продольной оси ветроагрегата, так как величина этой силы определяется углом атаки профиля 18 киля 17, складывающегося из угла отклонения вектора скорости воздушного потока и угла установки киля . Размещение узла вращения 12 на центральной силовой раме 4 вблизи продольной оси ветроагрегата разгружает узел вращения 12 от действия аэродинамических моментов, возникающих при обтекании ветроагрегата воздушным потоком.

Воздушный поток, попадая в конфузорный канал 15, разгоняется и поступает на лопасти 10 ветротурбины 9, которая преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую энергию вращения ротора электрогенератора 7, который, в свою очередь, вырабатывает электрическую энергию. При этом регулирование угла установки лопастей 10 осуществляется устройством 11 авторегулирования частоты вращения ветротурбины 9. Размещение ступицы 8 ветротурбины непосредственно на электрогенераторе 7 исключает необходимость в трансмиссии и существенно упрощает конструкцию ветроагрегата.

После прохождения через лопасти 10 ветротурбины 9 воздушный поток обтекает расположенные за ними подкосы 5. Для снижения их аэродинамического сопротивления поперечное сечение подкосов 5 выполнено в форме капли, большей осью расположенной вдоль по потоку (Фиг.4). Далее воздушный поток поступает в диффузорный канал 16, где его скорость снижается, что приводит к общему снижению скорости потока внутри кольцевого обтекателя. Что бы снизить эффект торможения потока в диффузорном канале 16 по периметру задней кромки кольцевого обтекателя 1 размещены лепестки 3, которые позволяют задействовать дополнительные массы воздуха в передаче их кинетической энергии воздушному потоку. При обтекании лепестков 3 внешним по отношению к кольцевому обтекателю 1 воздушным потоком за лепестками 3 возникает процесс активного образования вихрей, способствующих созданию зон пониженного давления за задней кромкой кольцевого обтекателя 1 и, соответственно, увеличению скорости истечения потока из диффузорного канала 16. Кроме того, при протекании внешнего потока в промежутках между криволинейными поверхностями лепестков 3, его скорость увеличивается и способствует дополнительному эжектированию внутреннего воздушного потока. Размер лепестков и промежутка К между ними определяется расчетным путем из условий оптимального вихреобразования и получения максимально возможной скорости потока, протекающего между лепестками 3. Таким образом, создание комбинированного эффекта пониженного давления в зоне истечения потока из диффузорного канала 16 и эффекта его эжектирования внешним воздушным потоком обеспечивает дополнительное повышение скорости потока, обтекающего ветротурбину, и, как следствие, повышение на 10-15% мощности, снимаемой с ветротурбины.

Полезная модель найдет широкое применение во всех отраслях, где имеется потребность в высокоэффективных и относительно малогабаритных нетрадиционных источниках получения электрической энергии.

1. Ветроагрегат, содержащий ветротурбину с устройством авторегулирования скорости ее вращения и осесимметричное центральное тело, установленные в рабочем канале с конфузором на входе и диффузором на выходе, электрогенератор, узел ориентации и узел вращения ветроагрегата, отличающийся тем, что рабочий канал образован охватывающим осесимметричное центральное тело кольцевым обтекателем, закрепленным на подкосах, соединенных с размещенной внутри осесимметричного центрального тела силовой рамой, на которой установлены ветротурбина, электрогенератор и узел вращения, а узел ориентации выполнен в виде по меньшей мере двух профилированных килей, расположенных под углом к продольной оси ветроагрегата.

2. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кольцевого обтекателя образована вращением вокруг продольной оси ветроагрегата несимметричного крыльевого профиля, обращенного выпуклой частью к продольной оси ветроагрегата с образованием конфузора на входе и диффузора на выходе рабочего канала.

3. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что кольцевой обтекатель соединен с подкосами шарнирно.

4. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что ветротурбина установлена непосредственно на электрогенераторе.

5. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что узел вращения расположен на силовой раме вблизи продольной оси ветроагрегата.

6. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что устройство авторегулирования скорости вращения выполнено с возможностью регулирования угла установки лопастей ветротурбины.

7. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что на задней кромке обтекателя наружу от него размещены лепестки, имеющие дугообразную форму в поперечном сечении и прямоугольную форму в плане и расположенные выпуклой частью в сторону передней кромки кольцевого обтекателя.

8. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что подкосы кольцевого обтекателя имеют в поперечном сечении форму капли.

9. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что кили узла ориентации расположены так, что расстояние между ними превышает максимальный диаметр кольцевого обтекателя.