Ветродвигатель

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а более конкретно к ветроэнергетическим установкам. Предложен ветродвигатель, содержащий кольцевой обтекатель и ветроколесо, центральное тело которого представляет собой тело вращения диаметром 0,4÷0,6 диаметра кольцевого обтекателя и состоит из носовой части в виде эллипсоида, цилиндрической части с лопастями на боковой поверхности и параболического хвостового обтекателя. На внутренней поверхности хвостовой части кольцевого обтекателя размещаются подпружиненные дросселирующие лепестки для уменьшения аэродинамической нагрузки на лопасти ветроколеса за счет ограничения скорости его вращения докритическими значениями при больших скоростях ветра.

Известен ветродвигатель, содержащий центральное тело, носовая часть которого имеет форму эллипсоида вращения, а хвостовая часть имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с защитной сеткой проницаемостью 96-98% на входе неподвижного кольцевого обтекателя (Россия, патент №12195, 1999 г.).

Недостатками этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные со срывом потока с концевой части центрального тела ветроколеса, возможность обледенения лопастей и кольцевого обтекателя, а также перегрев генератора, установленного внутри втулки ветроколеса.

Известен ветродвигатель, принятый в качестве прототипа, с неподвижным кольцевым обтекателем с лепестками, установленными на его задней кромке для увеличения эжектирующего эффекта (Россия, патент №38364, 2004 г.).

Недостатком этого ветродвигателя является возможность его разрушения при большой скорости ветра из-за сильной раскрутки ветроколеса.

Задача, которую решает предложенная полезная модель, состоит в улучшении характеристик ветродвигателя.

При этом достигаются следующие технические результаты:

- устраняется возможность поломки лопастей ветроколеса из-за сильной его раскрутки при большой скорости ветра.

Технические результаты достигаются следующим способом:

- раскрутка ветроколеса при большой скорости ветра устраняется за счет эффекта дросселирования канала протока в кольцевом обтекателе.

Для этого в известном ветродвигателе, содержащем центральное тело, носовая часть которого имеет форму эллипсоида вращения, хвостовая часть имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с неподвижным кольцевым обтекателем выполнено следующее:

- на внутренней поверхности задней кромке кольцевого обтекателя установлены

подпружиненные лепестки, которые отгибаются внутрь тем сильнее, чем сильнее ветер, создавая эффект дросселирования.

На фиг.1 показана конструктивная схема ветродвигателя.

Ветродвигатель, содержит центральное тело, состоящее из носовой части 1 и хвостовой части 2. Между носовой и хвостовой частью центрального тела расположено ветроколесо 3 с лопастями 4, внутри которого помещается генератор. Хвостовая часть центрального тела с помощью пилонов 5 соединена с кольцевым обтекателем 6. Кольцевой обтекатель с внутренней стороны имеет лепестки 7, соединенные с обтекателем с помощью пружин 8 и шарнирно закрепленные на задней кромке обтекателя.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Набегающий воздушный поток (ветер) попадает в кольцевой канал между носовой частью 1 и обтекателем 6, вращает лопасти ветроколеса. При скоростях ветра до 20 м/с лепестки 7 прижаты пружинами 8 к поверхности кольцевого обтекателя (положение "Б" на фиг.1). При достижении значения скорости ветра выше 20 м/с лепестки 7, установленные на задней кромке кольцевого обтекателя, начинают отклоняться внутрь кольцевого канала под действием аэродинамической силы и занимают положение "В" на фиг.1. При дальнейшем возрастании скорости ветра еще больше уменьшается давление воздуха на внешней стороне лепестков и за счет перепада давления они отклоняются сильнее, достигая угла отклонения 90° (положение "Г" на фиг.1, а также фиг.2) при скорости ветра 50 м/с (ураган). При уменьшении скорости ветра до значений меньших 20 м/с пружины прижимают лепестки к поверхности кольцевого обтекателя (возвращают лепестки в начальное положение).

Обоснование технических результатов.

Рассчитаем длину лепестков.

Пусть при скорости ветра V ₁=20 м/с лепестки прижаты к внутренней поверхности кольцевого обтекателя, а при скорости V₃=50 м/с отклонены на 90°. Чтобы аэродинамическая сила, действующая на лопасти не превышала критического значения, расход воздуха при V ₁ и V₂ должен быть постоянным.

Тогда суммарная площадь лепестков S_леп и площадь обтекателя S_обт связаны соотношением:

Отсюда

Площадь S_леп=(3/5)S _обт, площадь выходного отверстия при лепестках, отклоненных на 90°, равна 2/5S_обт, а его радиус (2/5)R_обт. Длина лепестков составит

При R_обт=1 м получаем R _леп=36,8 см.

Рассчитаем коэффициент упругости пружины.

Случай, когда лепестки отклонены на 90° (V ₂=50 м/с) показан на фиг.3. На лепесток действуют: аэродинамическая сила, равная силе лобового сопротивления Х пластины лепестка, и сила упругости пружины F_упр. Моменты этих сил относительно оси, проходящей через плоскость крепления пластины лепестка, должны быть равны:

Или

где k - коэффициент упругости пружины, х_упр - удлинение пружины, с _х - коэффициент лобового сопротивления пластины лепестка (согласно Справочнику авиаконструктора. Аэродинамика. Изд. ЦАГИ, 1937 г с_х=1,15), S_1леп - площадь одного лепестка, - плотность воздуха, у земли =0,125 кГсек²/м⁴ .

Из фиг.3 видно, что x_упр=(2)R_леп. С учетом (3) х_упр=2(1-(2/5))R_обт. Из (2) имеем S _1леп=(3/5)S_обт/n=(3/5)R²_обт/n где n - число лепестков.

Подставляя эти выражения в (5) получаем:

Окончательно:

При R_обт=1 м, V ₂=50 м/с, n=12, р=0,125 кГсек²/м ⁴ коэффициент упругости пружины каждого из 12 лепестков равен k=38,3 кГ/м.

Ветродвигатель, содержащий кольцевой обтекатель и ветроколесо, центральное тело которого представляет собой тело вращения диаметром 0,4÷0,6 диаметра кольцевого обтекателя и состоит из носовой части в виде эллипсоида, цилиндрической части и параболического хвостового обтекателя, с лопастями на боковой поверхности цилиндрической части, отличающийся тем, что на внутренней поверхности хвостовой части кольцевого обтекателя размещаются подпружиненные дросселирующие лепестки для ограничения скорости вращения ветроколеса докритическими значениями, уменьшения аэродинамической нагрузки на лопасти ветроколеса и предотвращения его разрушения в результате чрезмерной раскрутки при больших скоростях ветра.