Ветроустановка с роторами магнуса

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса. Сущность изобретения: ветроустановка содержит ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров и электрогенератор, причем приводы выполнены в виде роторов типа Савониуса, которые установлены на осях вращения цилиндров и жестко с ними связаны. Новым является соотношение между геометрическими и кинематическими параметрами ветроустановки в виде: где V_B - скорость ветра; D_ц и D_pc - диаметры цилиндра и ротора Савониуса соответственно; n_BK - число оборотов ветроколеса; R_pc - отстояние от оси вала точки на оси ротора Савониуса, которая соответствует средней величине [V_окр ^рс]² по длине ротора; V_окр ^рс - скорость потока на радиусе R_pc при вращении ветроколеса. 1 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения на основе эффекта Магнуса.

Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов Магнуса//пат. СССР 10198, F 03 D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F 03 B 5/00, F 30 D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F 03 D 5/00, 1984; а.с. 1677366, F 03 D 1/02, СССР, 1991 и др. ).

Основные недостатки этих ВЭУ - достаточно сложные приводы для вращения цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде.

В качестве прототипа выбрана установка по пат. 10198, F 03 D 7/02, СССР, 1927 г. Устройство содержит ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор. Его недостатки те же, что и перечисленные выше.

Для устранения этих недостатков в известной ВЭУ, содержащей ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор, в качестве приводов цилиндров предусмотрены роторы типа Савониуса (РтС), которые устанавливаются на осях вращения цилиндров и жестко связаны с ними.

Воздействие ветра на предлагаемую установку приведет к вращению роторов Савониуса (воздушных турбинок иного типа), а следовательно, и к вращению цилиндров, с которыми жестко связаны эти роторы. Вращение цилиндров вызовет появление подъемной силы Магнуса и соответствующего крутящего момента, который станет вращать ветроколесо. При этом на ротор Савониуса будет действовать помимо ветра со скоростью _B воздушный поток в окружном направлении со скоростью V^(pc)_окр = 2πR_pc•n_вк, где n_BK - число оборотов ветроколеса, R_pc - отстояние от оси вала точки на оси ротора Савониуса, которая соответствует средней величине [V_окр ^(рс)]². Результирующий поток будет равен
Расположение ротора Савониуса по длине лопасти, его длина и диаметр выбираются из условия обеспечения окружной скорости вращения цилиндров вокруг своих осей, равной V_окр ^(ц) = (3-4)•Vв, что дает наибольшую подъемную силу Магнуса на цилиндрах.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что в качестве приводов цилиндров используется ротор типа Савониуса, размещаемый на каждой лопасти на оси вращения цилиндров и жестко связан с ними. Можно утверждать, что предложенное устройство имеет элементы новизны.

Из близких аналогов рассмотрим "Воздушную турбину Магнуса" (пат. США 4366386, F 03 B 5/00, F 30 D 7/06, 1982) и "Ветроустановку" (заявка ФРГ 3246694, F 03 D 5/00, 1984). Отличия конструктивные: у аналогов приводом цилиндра лопасти служит электродвигатель с системой управления параметрами электродвигателя. На вращение цилиндров затрачивается 10% вырабатываемой ВЭУ энергии. Предлагаемый привод - РТС работает от потока ветра и воздушного потока в окружном направлении и не требует затрат энергии. Функциональные: аналоги практически не могут быть использованы в водной среде на течении и в переносном виде в связи с относительной сложностью системы приводов и управления их работой.

Оценим геометрические и кинематические параметры ротора типа Савониуса. Числа оборотов ротора и цилиндров вокруг своей оси равны соответственно


1,85 - опытный коэффициент, где D_pc - диаметр ротора и D_ц - диаметр цилиндра;
(3-4) - оптимальная (отвечает наибольшей подъемной силе Магнуса) величина соотношений окружной скорости вращения-цилиндра и скорости ветра. Из условия n_pc=n_ц получим следующее выражение

Оно связывает число оборотов ветроколеса, диаметры ротора и цилиндров, расположение ротора по длине лопасти (через величину R_pc). Мощность ротора типа Савониуса достаточна для обеспечения вращения цилиндров и с числом оборотов n_BK составит около 5% от мощности ВЭУ.

Как показали расчеты, КПД предлагаемой установки при одинаковых габаритных размерах лопастей будет не ниже, чем у рассмотренных выше ВЭУ несмотря на то, что часть длины лопасти занята ротором Савониуса, имеющим меньшую, чем у цилиндров подъемную силу Магнуса.

На чертеже представлена установка, вид спереди.

Устройство содержит башню (опору) 1, горизонтальный вал 2 (с головкой или ступицей), лопасти 3 с цилиндрами Магнуса 4 и торцевыми дисками 5, а также роторы типа Савониуса 6. Электрогенератор не показан.

При воздействии на ВЭУ ветра начнут вращаться вокруг своей оси роторы типа Савониуса 6, заставляя вращаться одновременно связанные с ними цилиндры 4. С появлением на цилиндрах и роторах достаточной подъемной силы Магнуса и соответствующего крутящего момента в плоскости, перпендикулярной валу, придет во вращение ветроколесо. С началом вращения ветроколеса на роторы Савониуса кроме силы ветра начнет действовать поток воздуха в плоскости вращения ветроколеса. Увеличится число оборотов ротора и цилиндров, повысится подъемная сила Магнуса и крутящий момент для вращения ветроколеса. В стационарном режиме число оборотов ветроколеса будет равно величине (2).

Предложенная установка существенно более простая, чем существующие ВЭУ с роторами Магнуса и экономичная. Состоит из простой формы и дешевых прочных лопастей, которые могут работать как на воздухе, так и в водной среде на течении. Можно создать простые установки переносного вида. Не требуют затрат электроэнергии на вращение цилиндров. Имеют более простую электрическую схему управления, отсюда и более надежную.

Формула изобретения

Ветроустановка с роторами Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор, причем приводы выполнены в виде роторов типа Савониуса, которые установлены на осях вращения цилиндров и жестко связаны с ними, отличающаяся тем, что соотношение между геометрическими и кинематическими параметрами ветроустановки составляет

где V_в - скорость ветра;
D_ц и D_pc - диаметр цилиндра и ротора Савониуса соответственно;
n_вк - число оборотов ветроколеса;
R_pc - отстояние от оси вала точки на оси ротора Савониуса, которая соответствует средней величине [V_окр ^рс] ² по длине ротора;
V_окр ^рс - скорость потока на радиусе R_pc при вращении ветроколеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1