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. Внутри центрального тела установлен электрический генератор. С целью охлаждения генератора в центральном теле ветроколеса выполнен сквозной проток с входным отверстием (воздухозаборником) в носовой части диаметром 0,1÷0,2 максимального диаметра центрального тела (кромки отверстия скруглены). Выдув воздуха, обтекающего генератор, через выходные отверстия на концах полых лопастей служит для отвода тепла от генератора и предотвращения обледенения лопастей ветроколеса и кольцевого обтекателя. Выдув воздуха, обтекающего генератор, через выходные отверстия в хвостовой части центрального тела позволяет ликвидировать срыв потока с хвостовой части центрального тела и повысить КПД ветродвигателя.

Известен ветродвигатель, содержащий корпус со входным конфузором, горловиной, переходным участком, выходным диффузором и лопастным ротором, размещенным в горловине. Выходной диффузор снабжен экраном, закрепленным на торце диффузора при помощи пилонов, а размеры элементов ветродвигателя выбраны из определенных соотношений (Россия, патент №2006663, 1991 г.).

Недостатком этого ветродвигателя является неоправданно сложная конструкция и большие потери мощности из-за срывного внешнего обтекания диффузора и экрана.

Известен способ концентрации ветрового потока в плоскости ветроколеса. Ветродвигатель, с помощью которого осуществляется способ, содержит центральное тело удобообтекаемой формы. На поверхности центрального тела в плоскости его миделевого сечения размещено ветроколесо с лопастями, на концах которого закреплен кольцевой обтекатель (ФРГ, патент №3905337, 1989 г.)

Недостатком этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные с закруткой потока за ветроколесом и поверхностным трением вращающегося кольцевого обтекателя, большая стартовая скорость, повышенная опасность для птиц из-за разгона потока перед ветроколесом.

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 неподвижным кольцевым обтекателем, с защитной сеткой с проницаемостью 96-98% на входе кольцевого обтекателя (Россия, патент №12195, 1999 г.).

Недостатком этого ветродвигателя, принятого в качестве прототипа, 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.

Задача, которую решает предложенная полезная модель, состоит в повышении эффективности ветродвигателя за счет улучшения его характеристик.

При этом достигаются следующие технические результаты:

- устраняется перегрев генератора ветродвигателя;

- устраняется обледенение лопастей и кольцевого обтекателя ветродвигателя;

- устраняется срыв потока с хвостовой части центрального тела ветроколеса.

Технические результаты достигаются следующим способом:

- перегрев генератора устраняется за счет его обдува воздушным потоком, поступающим во входное отверстие (воздухозаборник) в носовой части центрального тела ветродвигателя;

- обледенение лопастей и кольцевого обтекателя устраняется за счет их обогрева путем отвода тепла от генератора с помощью обтекающего его воздушного потока, поступающего через входное отверстие (воздухозаборник) в носовой части центрального тела ветродвигателя и проходящего далее через отверстия во втулке ветроколеса в полые лопасти, а через выходные отверстия на концах лопастей - на кольцевой обтекатель;

- срыв потока с хвостовой части центрального тела ветроколеса устраняется за счет выдува воздуха, обтекающего генератор, через выходное отверстие (сопло), выполненное по оси центрального тела, либо выходные отверстия на боковой поверхности его хвостовой части.

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 с защитной сеткой на входе выполнено следующее:

- в носовой части центрального тела ветродвигателя сделано входное отверстие (воздухозаборник) площадью 0,03÷0,05 площади миделя центрального тела (диаметром 0,1÷0,2 максимального диаметра центрального тела), кромки отверстия скруглены;

- в хвостовой части центрального тела ветроколеса сделано выходное отверстие (сопло) по оси, либо отверстия на его боковой поверхности;

- в цилиндрической втулке ветроколеса сделаны отверстия, напротив соответствующего входного отверстия каждой лопасти;

- лопасти выполнены полыми с входным и выходным отверстием в корневом и концевом сечении.

На фиг.1 показана конструктивная схема ветродвигателя. Ветродвигатель (фиг.1), содержит центральное тело, состоящее из носовой части 1 с отверстием 2 и хвостовой части 3 с килем 4. Между носовой частью 1 и хвостовой частью 3 расположено ветроколесо 5 (втулка с отверстиями 11 и полыми лопастями 6 с отверстиями на концах 12), внутри которого помещается генератор 7. Хвостовая часть центрального тела 3, имеющая отверстия 13 (а) - с отверстием по оси, б) - с отверстиями на боковой поверхности), с помощью пилонов 8 соединена с кольцевым обтекателем 9, имеющим защитную сетку 10 на входе. Ветродвигатель шарнирно закреплен на мачте (не показана).

Ветродвигатель работает следующим образом.

Набегающий воздушный поток (ветер) разгоняется при обтекании носовой части центрального тела 1 и, проходя через защитную сетку 10, попадает в кольцевой канал между носовой частью 1 и обтекателем 9. Часть набегающего потока (3÷5%) попадает в отверстие 2 в носовой части центрального тела ветродвигателя, огибает генератор 7, охлаждая его, и проходит далее: а) через отверстия 11 во втулке ветроколеса в полые лопасти 6 и дальше через выходные отверстия 12 в лопастях - на кольцевой обтекатель 9, нагревая лопасти и обтекатель; б) через отверстия 13 в хвостовой части, препятствуя срыву потока. Поток, выходящий после ветроколеса 5 из кольцевого канала, обтекает хвостовую часть центрального тела 3 и киль 4, который ориентирует ветродвигатель против ветра.

Обоснование технических результатов.

Рассчитаем диаметр входного отверстия в центральном теле ветроколеса.

Пусть мощность генератора ветродвигателя N=1 кВт, диаметр кольцевого обтекателя 2 м, диаметр центрального тела 0,5 м. При КПД ветродвигателя 90%, тепловые потери мощности N составляют 10% или 100 Вт. Из них примерно

70% или 70 Вт можно отвести от генератора с помощью обдува струйкой воздуха (фиг.2), проходящей через входное отверстие в центральном теле.

Из термодинамики известно, что количество теплоты Q связано с теплоемкостью с_р, массой m и изменением температуры t формулой:

Q=c_pmt

Переходя к мощности N (количеству теплоты в единицу времени), имеем:

N=c_рm_ct

Масса воздуха m_c, проходящая через струйку площадью S_стр в единицу времени, равна

(m)_c=_вS_стрV,

где _в - плотность воздуха, V - скорость ветра.

Отсюда площадь струйки воздуха, нужная для того чтобы отвести от генератора мощность N, связана со скоростью струйки V и повышением температуры воздуха в струйке t соотношением:

Если N=70 Вт=16,8 кал, c_р=0,239 кал/(г град), _в=1293 г/м³ , V=10 м/с. t=10°С, то S_стр=0,00054 м ², диаметр струйки воздуха d_стр=0,026 м.

Из теории воздухозаборника известно, что площадь воздухозаборника примерно в 3 раза превышает площадь струйки воздуха. Таким образом, чтобы охладить генератор при скорости ветра V=10 м/с площадь входного отверстия в центральном теле ветроколеса должна составить не менее S_отв=0,00162 м ², его диаметр d_отв=0,045 м.

Струйка теплого воздуха, нагретого генератором, выдувается через отверстия в полых лопастях на кольцевой обтекатель, что позволяет предотвратить образование льда в зазоре между лопастями ветроколеса и кольцевым обтекателем.

Обоснование необходимости ликвидации срыва потока с хвостовой части центрального тела ветроколеса основывается на том факте, что безотрывное обтекание

уменьшает потери мощности ветродвигателя и позволит повысить КПД ветродвигателя на 5-10%.

Как известно (А.А.Лебедев, Л.С.Чернобровкин. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, переработанное и дополненное, М. «Машиностроение», 1973 г., стр.227), плавное обтекание хвостовой части имеет место при небольших углах наклона образующей хвостовой части к оси тела вращения (примерно до 20°).

При больших углах на поверхности обтекателя возникает отрыв потока, что приводит к потерям энергии за счет вихреобразования. Известно (П.Чжэн. Управление отрывом потока. М., «Мир», 1979 г., стр.26), что одним из методов управления отрывом потока является вдув высоконапорной струи в окрестности хвостовой части за точкой отрыва вдоль задней разделяющей линии тока. При этом можно ликвидировать отрыв, поскольку к вязкому свободному слою подводится дополнительная энергия.

Поэтому срез хвостовой части центрального тела ветроколеса с образованием выходного отверстия (сопла) по оси, либо выходных отверстий - щелей на боковой поверхности, необходимо делать именно в месте, где угол наклона образующей хвостовой части к оси тела вращения равен 20° или чуть дальше от конца хвостовой части.

1. 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, с электрическим генератором внутри центрального тела, отличающийся тем, что, с целью охлаждения генератора и предотвращения обледенения лопастей ветроколеса и кольцевого обтекателя, носовая часть центрального тела ветроколеса имеет входное отверстие со скругленными кромками (воздухозаборник) диаметром 0,1÷0,2 максимального диаметра центрального тела, с выдувом воздуха, обтекающего генератор, через выходные отверстия на концах полых лопастей.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью устранения срыва потока с хвостовой части центрального тела и повышения КПД ветродвигателя, в центральном теле ветроколеса выполнен сквозной проток с выдувом воздуха, обтекающего генератор, через отверстие (отверстия) в хвостовой части центрального тела.