Способ управления отбором мощности ветрового потока и ветроэнергетическое устройство

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ВЕТРОВОГО ПОТОКА И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО(71) Заявители Лаврентьев Николай Алексеевич Хлебцевич Всеволод Алексеевич(72) Авторы Лаврентьев Николай Алексеевич Хлебцевич Всеволод Алексеевич(73) Патентообладатели Лаврентьев Николай Алексеевич Хлебцевич Всеволод Алексеевич(57) 1. Способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства, путем изменения крутящего момента на валу отбора мощности ветроротора за счет формирования вихря, уплотненного по своему периметру в зоне, примыкающей к ветроротору, отличающийся тем, что вихрь формируют геликоидными непрерывными ветровыми струями по периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне ветрового потока, ометаемого ветроротором. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в осевой зоне вихря принудительно создают разрежение, а в зоне фронта вихря с наветренной стороны образуют принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что с наветренной стороны фронт вихря,образующий подсос воздушной массы вдоль оси ветроротора, направляют под углом к оси ветрового потока. 5270 1 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря формируют в вихревую воронку геликоидными струями. 5. Ветроэнергетическое устройство с управлением отбора мощности ветрового потока,ометаемого ветроротором, содержащее горизонтальное основание, на котором смонтирован ветроротор с вертикальной осью вращения, имеющий по меньшей мере две лопасти аэродинамического сечения, кинематически связанный с электрическим генератором, отличающееся тем, что вертикальная ось вращения ветроротора образует тупой или острый угол с плоскостью горизонтального основания, а лопасти аэродинамического сечения имеют желобчатый профиль в форме геликоида. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены с возможностью образования цилиндроида вращения. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены с возможностью образования конусоида вращения. 8. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что в ветророторе в плоскости комлевого основания и в плоскости периферийного основания, образуемых цилиндроидом или конусоидом вращения, смонтированы два ветроколеса с лопастями каплевидного аэродинамического сечения. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля кинематически связаны с лопастями каплевидного аэродинамического сечения посредством шарниров. 10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что лопасти каплевидного аэродинамического сечения снабжены средством изменения угла наклона продольной оси к вертикальной оси вращения ветроротора.(56) Абрамовский Е.Р. и др. Аэродинамика ветродвигателей. - Днепропетровск, 1987. С. 167, 171, рис. 4.1.5.842215 , 1981.1089289 , 1984.2101560 1, 1998.638871 5, 1983.2540757 1, 1976. Изобретение относится к механике к области конструирования ветроэнергетических установок и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности. Известен способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства (ВЭУ) в зависимости от скорости набегающего ветрового потока путем изменения скорости вращения ротора ветроколеса 1. Известный способ технологически трудно выполним, обладает малой достоверностью и низким коэффициентом использования мощности ветрового потока. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства, путем изменения крутящего момента на валу отбора мощности ветроротора за счет формирования вихря, уплотненного по своему периметру в зоне,примыкающей к ветроротору, при этом в процессе осуществления способа производят изменение угла поворота-атаки лопасти ветроколеса относительно своей продольной оси. Известный способ обеспечивает постоянство подъемной силы на роторе ветроколеса. Недостаток известного способа проявляется в том, что он не обеспечивает выбора оптимизации набегающего ветрового потока и, следовательно, снижает возможности управления оптимальным значением мощности ветродвигателя ВЭУ. 2 5270 1 Известны конструкции ветроэнергетических установок, содержащие ротор барабанного типа с вертикальной осью вращения и прямыми лопастями, имеющий по меньшей мере две лопасти каплевидного аэродинамического сечения и генератор, кинематически связанный через редуктор с осью вращения ротора 1. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветроэнергетическое устройство с ветроротором Дарье, имеющим вертикальную ось вращения с двумя и более лопастями криволинейными в вертикальной плоскости профилями каплевидного аэродинамического сечения. Лопасти образуют пространственную конструкцию,которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. Ветроротор смонтирован на горизонтальном основании и кинематически связан с электрическим генератором 2. Достоинство известного устройства в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии ветра до 0,30-0,35. Кроме того, ветродвигатели Дарье кинематически не нуждаются в механизме ориентации на ветер. Недостаток известной конструкции ветроэнергетического устройства связан со значительными изменениями условий обтекания лопасти потоком за один оборот ротора с цикличностью в процессе эксплуатации свыше миллиона раз, что в конечном итоге приводит к снижению производительности ВЭУ. Это приводит также и к снижению надежности в связи с резким выходом прямой вертикальной лопасти из зоны ламинарного ветрового потока в зону турбулентности за ветроротором, что сопровождается явлением одиночных рывков при малых оборотах ветроротора с последующим, по мере увеличения оборотов возникновением автоколебаний,приводящих к резонансному разрушению как элементов ветроротора, так и корпуса редуктора, опоры или фундамента ветроэнергетического устройства. В основу изобретения положена задача повышения производительности ветроротора,надежности и конструктивной прочности ветроротора и устройства в целом путем создания вихревого потока внутри ротора, обеспечивающего подтягивание ветрового потока внутрь конструкции ветроротора по принципу турбинного ветронасоса, а также плавного входа лопасти в наветренную и подветренную к ветроротору зону. Поставленная задача достигается также тем, что в способе управления отбором мощности ветрового потока ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства, путем изменения крутящего момента на валу отбора мощности ветроротора за счет формирования вихря, уплотненного по своему периметру, в зоне примыкающей к ветроколесу, согласно изобретению, вихрь формируют геликоидными непрерывными ветровыми струями по периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне ветрового потока, ометаемого ветроротором. Технологично, чтобы в способе в осевой зоне вихря принудительно создавали бы разрежение, а в зоне фронта вихря с наветренной стороны образуют принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря. Предпочтительно, чтобы в способе с наветренной стороны фронт вихря, образующий подсос воздушной массы вдоль оси ветроротора, направляют под углом к оси ветрового потока. Применяют также в способе принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря путем формирования вихря в вихревую воронку в форме геликоидных струй. Поставленная задача достигается также и тем, что в ветроэнергетическом устройстве с управлением отбора мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором, содержащем горизонтальное основание, на котором смонтирован ветроротор с вертикальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти аэродинамического сечения, кинематически связанный с электрическим генератором, согласно изобретению, вертикальная ось вращения ветроротора образует тупой или острый угол с плоскостью горизонтального основания, а лопасти аэродинамического сечения имеют желобчатый профиль в форме геликоида. 3 5270 1 Задача достигается также и тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены с возможностью образования пространственного цилиндроида вращения. Одним из вариантов достижения задачи является то, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены с возможностью образования пространственного конусоида вращения. Предпочтительно, чтобы в ветророторе в плоскости комлевого основания и в плоскости периферийного основания, образуемых цилиндроидом или конусоидом вращения, были бы смонтированы соответственно два ветроколеса с лопастями каплевидного аэродинамического сечения. Конструктивно, чтобы в ветророторе лопасти аэродинамического желобчатого профиля были бы кинематически связаны с лопастями каплевидного аэродинамического сечения посредством шарниров. Технологично, чтобы лопасти каплевидного аэродинамического сечения были бы снабжены средством изменения угла наклона продольной оси к вертикальной оси вращения ветроротора. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 - общий вид ВЭУ с конусоидальным ветроротором вертикальной оси вращения фиг. 2 - общий вид ВЭУ с цилиндроидным ветротором на угловой оси вращения фиг. 3 - схема фронта ветрового потока сметаемого желобчатой лопастью фиг. 4 - схема ветрового потока за желобчатой лопастью фиг. 5 - схема регулирования конусоидного ветроэнергетического устройства (на фиг. 5 нижняя часть схемы вида прямо) фиг. 6 - схема регулирования цилиндроидного ветроэнергетического устройства (на фиг. 6 - верхняя часть вида повернуто) Ветроэнергетическое устройство (ВЭУ) с горизонтальным основанием 1 содержит ветроротор 2 с вертикальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти 3,4 аэродинамического сечения, смонтированные в комлевой плоскости вращения и в концевой плоскости вращения ветророторов 2 посредством двух пар ветроколес 5 и 6, имеющих лопасти 7 и 8 каплевидного аэродинамического сечения на составном валу 9 отбора мощности ветроротора 2, кинематически связанного, например, через формирователь 10 геликоида, карданную передачу 11, редуктор 12 с электрическим генератором 13. Редуктор 12 и генератор 13 размещены на основании 1. Ветроколесо 6 с формирователем 10 и карданной передачей 11 размещены на продольной поворотной платформе 14 с приводом 15 и подшипниковым узлом 16, закрепленном на поперечной поворотной платформе 17, которая установлена на подшипниковых узлах 18 на стойках 19, вертикально прикрепленных к горизонтальному основанию 1 и соединенных шарнирно приводом 20 изменения угланаклона платформы 17. Лопасти 7 установлены на осях 21, жестко связанными с геликоидными лопастями 3 и 4 и шарнирно в верхней части ветроротора с перемычкой 22, жестко прикрепленной к наружной втулке 23 составного вала 9. На внутренней стороне лопастей 7 закреплены сошки 24, шарнирно установленные на кулисе 25 привода управления поворотом лопастей 7, 8,например, центробежного регулятора, содержащего вертлюги 26, установленные на шипах 27 рычага 28 с грузами 29. Рычаги 28 установлены на осях вращения 30, прикрепленных к наружной втулке 23. Верхние концы рычага 28 связаны с перемычкой 22 возвратными пружинами 31. Внутри наружной втулки 23 помещена гайка 32 с винтом 33 приводной оси 34 формирователя геликоида. Наружная втулка 23 (фиг. 6 сечение Г-Г) посредством шлицевого соединения связана с втулкой 35 закреплена на корпусе 36 ветроколеса 6. На приводной оси 34 внутри корпуса 36 установлена шестерня 37 с рейками 38, к концам которых шарнирно прикреплены лопасти 8. На наружных концах лопастей 7 и 8 закреплены рычаги 39, 40, шарнирно связывающие тягами 41 верхние и нижние концы геликоидных лопастей 3, 4. Приводной вал 41 соединяет с формирователем 10 геликоида 4 5270 1 шестеренку 37 реечного механизма винта 32. Управление формирователем 10 геликоида,т.е. трансформирование его в конусоид из цилиндроида или наоборот осуществляют блоком 42 управления. Лопасти 3 и 4 аэродинамического сечения по фиг. 1, 2 могут быть выполнены в форме геликоида вращения желобчатого профиля. Поперечные лопасти 7 и 8 выполнены с возможностью регулирования угланаклона их продольной оси к оси вала 9 отбора мощности и соответственно к фронту действия ветрового потока посредством регулятора 10 при перемещении рейки путем вращения шестерни 37 в шарнирных опорах 22, 23. При этом соответственно регулируется величина большего основания конусоида за счет изменения величины его радиусав зоне комлевой части лопастей 3 и 4 и соответственно изменения величины диаметра верхнего основания конусоида вплоть до трансформирования его в цилиндроид (фиг. 2). Одним из вариантов устройства может быть конструкция выполнения устройства, в котором лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены в форме пространственного шароида вращения. При этом регулируется величина большего основания шароида за счет изменения величины его радиусав зоне комлевой части лопастей 3 и 4 и соответственно изменения величины диаметра верхнего основания шароида для трансформирования его в цилиндроид или конусоид (на чертеже условно не показано). Работу ВЭУ осуществляют следующим образом. По фиг. 1 ветровой поток А воздействует на ротор 2. При вращении желобчатого геликоида лопасти 3 или 4 против ветрового потока по направлению А крутящий момент М 1 на валу 9 отбора мощности создается производной силойот центростремительной силыи подъемной силыот унифицированной крыльчатой лопасти 5 каплевидного сечения (по фиг. 3) с наружной выпуклостью профиля Б. При описанной кинематике такая лопасть проявляет эффект эжекции под желобом 43, обеспечивая подсос воздушной массы внутрь желоба 43, формируя и направляя ее в форме струй вдоль желоба по геликоидной составляющей, на выходном срезе которого эта струя трансформирует вихревой шлейф. При движении геликоидной желобчатой лопасти 3, 4 по направлению ветрового потока А проявляется двоякое его воздействие. Первое воздействие - толкающее, при котором сила в направлении А (фиг. 4) организует достаточно высокой величины момент М 2 вращения на валу 9 отбора мощности, особенно в момент стартового периода ветроротора 2 при начальных величинах скорости ветра. Увеличение скорости ветрового потока к толкающей силе добавляет силу скольжения ветровой струи вдоль желоба 43 лопастей 3, 4 по геликоидной винтовой составляющей, что помимо создания момента М вращения на валу 9 обеспечивает формирование кольцевого вихря В на выходном срезе из геликоидных лопастей 3, 4 по образующей концевых торцев лопастей 3, 4. Этот вихревой шлейф обеспечивает ускорение оттока отработанной воздушной массы в виде сформирововавшегося вертикального или наклонного трубчатого вихревого шлейфа, проявляющегося под воздействием его центробежных сил. Образованный разряженный срединный объем, сформировавшийся внутри ротора 2 за счет подъемных сил трения, заполняется ветровым потоком Р внутри плоскости геликоидных составляющих лопастей 3, 4. Закрученный в вихревой шлейф ветровой поток В на срезе верхнего торца ветроротора 2 обеспечивает повышение скорости движения воздушной массы как на выходе среза верхнего торца ротора 2, так и подсоса дополнительной Р воздушной массы к ветровому потоку А, передающее силовое воздействие на лопасти 3, 4, обеспечивая в свою очередь приращение величины крутящего момента М 3 на валу 9 отбора мощности. Воронкообразная форма ветроротора 2 обеспечивает дополнительное ускорение движения воздушных масс к верхнему срезу ветроротора 2 и при наличии пары лопастей 7 наблюдается явление приращения крутящего момента М 4 на валу 9. Таким образом суммарный момент Мс 1 М 2 М 3 М 4, полученный по изобретению, в 23,5 раза превышает величину крутящего момента для традиционных репеллерных и вертикальнолопастных модификаций ВЭУ. 5 5270 1 По фиг. 2 ветровой поток воздействует на ветроротор аналогичным образом ветроротору по фиг. 1. Отличительная особенность проявляется в ускорении движения ветровых струй вдоль желобов 24 лопастей 3, 4, ввиду наклона оси вращения ветроротора от ветрового потока А и равномерное движение воздушных масс внутри ветроротора 2, т.к. геликоидная составляющая лопастей 3, 4 соответствует исполнению цилиндроида. Такое исполнение снижает эффективность ввиду отсутствия внутреннего воронкообразующего вихря, что компенсируется ускоренным движением по наружной образующей ветроротора 2. Такой вариант исполнения конструкции ветротора ВЭУ наиболее эффективен при скоростях ветра до 5 м/с. При изменении направления ветра ветроротор 1 уклоняетсяразворачивается под ветер в зависимости от изменения углов установки ветроротора 2 за счет изменения углов наклона платформ 14 и 17. При аварийных скоростях ветра лопасти 3, 4 и 7, 8 устанавливают в положение торможения, т.е они работают против движения ветрового потока. За счет изменения плоскости поворота лопастей и изменения угла наклона их продольной оси к оси вращения ветроротора, что приводит к трансформированию конусоида в цилиндроид, появляется возможность прецизионного регулирования скорости вращения ветроротора для достижения оптимальной частоты электрического тока генератора ВЭУ. При возрастании скорости ветра свыше, обеспечивающее превышение номинальной мощности ВЭУ, или при превышении потребляемой мощности выше нормативной изменение угла наклона ветроротора относительно основания 1 позволяет отрегулировать уровень мощности ВЭУ за счет повышения или снижения воздействия ветрового потока на ветроротор. На дату подачи заявки изготовлен макетный образец ВЭУ, продут в аэродинамической трубе, изготавливается документация для производства опытного образца ВЭУ. Источники информации 1. А.с. СССР 842215, МПК 03 5/00, 1989. 2. Абрамовский Е.Р. и др. Аэродинамика ветродвигателей Учебное пособие. Днепропетровский государственный университет. - Днепропетровск, 1987. - С. 167, рис. 4, 1, 5, 3. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.