Ветроэнергетическая установка

Полезная модель предназначена для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Установка, включающая центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части и хвостового обтекателя, лопатки и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла. Форма контура центрального тела, выбрана по функции лемнискаты Бернулли. Средняя часть центрального тела выполнена в виде осевой турбинной ступени, состоящей из неподвижной лопаточной решетки направляющего аппарата и вращающегося лопаточного аппарата осевой турбины. Отношение максимального диаметра средней части центрального тела к внешнему диаметру турбины составляет 0,45-0,55. Рабочий диапазон параметров обтекания (чисел Рейнольдса) составляет 10⁴-10 ⁶. Полезная модель устраняет перемежающиеся эффекты срыва потока, вызванные ими дополнительные вибрации, исключает преждевременный выход из строя установки. 1 ил.

Предлагаемая конструкция ветроэнергетической установки (ВЭУ) предназначена для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

Широко известны ветродвигатели, содержащие центральное тело и рабочие лопатки пропеллерного типа. Такие ветродвигатели не рассчитаны на работу при малых скоростях ветра, как правило, они входят в виде модуля в состав ветроэнергетических установок. Эти ветродвигатели устанавливают вдали от жилых домов, поскольку результатом их работы является эрозия почвы, а также гибель птиц, насекомых, попадающих во вращающиеся лопатки пропеллерного типа.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является известный ветродвигатель, включающий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части и хвостового обтекателя, лопатки и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла (см. RU 106674, опубликованный 20.07.2011). Носовая часть центрального тела (лобовой обтекатель) имеет форму полусферы. Такое выполнение лобового обтекателя и выполнение кольцевого обтекателя с сечением формы несимметричного профиля крыла обеспечивают повышение коэффициента полезного действия ветродвигателя. Однако проведенные испытания по прототипу при скорости ветра от 1 м/сек до 20 м/сек. показали, что остаются тенденции срыва потока на центральном теле, вносящие дополнительные вибрации, снижающие долговечность работы ВЭУ.

Технической задачей заявляемой конструкции является разработка ВЭУ, лишенного указанного недостатка.

Технический результат, достигаемый предложенной полезной моделью, заключается в устранении перемежающихся эффектов срыва потока, вызванных ими дополнительных вибраций, исключении преждевременного выхода из строя установки и снижения материалоемкости и себестоимости ее изготовления.

Указанный технический результат достигается в предложенной ветроэнергетической установке, включающей центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части и хвостового обтекателя, лопатки и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла, причем согласно полезной модели форма контура центрального тела, выбрана по функции лемнискаты Бернулли, а средняя часть центрального тела выполнена в виде осевой турбинной ступени, состоящей из неподвижной лопаточной решетки направляющего аппарата и вращающегося лопаточного аппарата осевой турбины, причем отношение максимального диаметра средней части центрального тела к внешнему диаметру турбины составляет 0,45-0,55 в рабочем диапазоне параметров обтекания - чисел Рейнольдса.

Предложенная полезная модель поясняется рис.1, на котором показано меридиональное сечение ветроэнергетической установки.

ВЭУ содержит: центральное тело, состоящее из лобового обтекателя (1), средней части и хвостового обтекателя (2). Контур центрального тела выбран на основании функции лемнискаты Бернулли, причем лемнискатный профиль применен к формированию центрального тела в целом, для чего взята половина кривой, описываемой, например следующим уравнением в прямоугольных координатах (х² -у²)²=2с²(х²-у ²).

Средняя часть центрального тела представляет собой осевую турбинную ступень, состоящую из лопаточной решетки направляющего аппарата (3) и вращающегося лопаточного аппарата (4) осевой турбины, причем отношение максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру турбины составляет 0,45-0,55 в рабочем диапазоне параметров обтекания - чисел Рейнольдса. Направляющий аппарат с лопатками установлен в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя (5) с сечением формы несимметричного профиля крыла. Выпуклая часть кольцевого обтекателя является образующей его внутренней поверхности.

Как показали проведенные испытания, именно при выборе формы контура центрального тела на основании функции лемнискаты Бернулли и предлагаемого соотношения диаметров центрального тела и диаметра турбины наблюдается отсутствие перемежающихся эффектов срыва потока воздуха. Также проведенные испытания показали, что при предлагаемой конструкции ветродвигателя выполнение отношения максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру турбины менее 0,45 приводит к снижению коэффициента полезного действия, а выполнение отношения выше 0,55 нецелесообразно в связи с увеличением материалоемкости конструкции.

Использование контура центрального тела в форме лемнискаты в ВЭУ дает эффект снижения явлений срыва в потоке, снижения вибраций, повышения моторесурса и, тем самым, снижения материалоемкости конструкции и следовательно себестоимости ее изготовления. Эффект обусловлен тем, что параметры обтекания ВЭУ ветром дают следующий диапазон чисел Рейнольдса 10⁴-10⁶, число Рейнольдса определяется следующим соотношением:

где

- - плотность среды, кг/м³;

- - характерная скорость, м/с;

- L - характерный размер, м;

- - динамическая вязкость среды, Н·с/м²;

- кинематическая вязкость среды, м²/с , что определяет турбулентный характер обтекания ВЭУ и необходимость принятия дополнительных мер стабилизации течения. В данном случае этим приемом является переход на лемнискатные формы.

Ветроэнергетическая установка, включающая центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части и хвостового обтекателя, лопатки и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла, отличающаяся тем, что форма контура центрального тела выбрана по функции лемнискаты Бернулли, а средняя часть центрального тела выполнена в виде осевой турбинной ступени, состоящей из неподвижной лопаточной решетки направляющего аппарата и вращающегося лопаточного аппарата осевой турбины, причем отношение максимального диаметра средней части центрального тела к внешнему диаметру турбины составляет 0,45-0,55.