Ветряной двигатель белашова
Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветряным двигателям, и предназначено для использования в ветроэнергетических установках различной мощности. Технический результат заключается в увеличении производительности ветряного двигателя и уменьшении затрат на его производство. Сущность изобретения заключается в том, что ветряной двигатель содержит цилиндрическую головку, которая через скользящие и опорные элементы связана с валом. На валу ветряного двигателя установлено, по меньшей мере, два ветряных колеса различного диаметра с четным или нечетным количеством поворотных лопастей различной длины, модульный генератор с корпусом, механизм синхронизации оборотов ветряного колеса, устройство ориентации на ветер, конусная гайка, устройство уплотнения, защитный кожух и поворотное устройство. Поворотное устройство ветряного двигателя расположено в передней части цилиндрической головки и выполнено в виде втулки, которая при помощи скользящих и опорных элементов связана с опорной шайбой неподвижной башни. Каждое ветряное колесо содержит четное или нечетное количество лопастей различной длины, которые объединены в рабочие сектора, где каждый рабочий сектор имеет, по меньшей мере, одну лопасть. Минимальное расстояние между ветряными колесами с поворотными лопастями должно составлять не менее половины диаметра от ветряного колеса с поворотными лопастями, расположенного за генератором. Ветряные колеса с поворотными лопастями должны быть расположены на валу в порядке возрастания диаметров и иметь возможность осевого перемещения. 8 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветряным двигателям, и предназначено для использования в ветроэнергетических установках различной мощности.
Известен винт Белашова, содержащий вал с полой втулкой, механизм синхронизации оптимального вращения, размещенный во внутренней полости втулки, и поворотные лопасти с осями, установленные посредством шарниров, закрепленных во втулке, и кинематически связанные через механизм синхронизации с приводным валом, где каждая лопасть снабжена установленной в концевой ее части обтекаемым направляющим оперением с внутренней полостью, осью вращения, закрепленной в полости, и подпружиненным обтекаемым саморегулируемым закрылком. Смотрите Патент РФ № 2046996, F 03 D 7/00 - аналог.
Известен ветряной двигатель, содержащий неподвижную башню, головку с четным или нечетным количеством ветряных колес различного диаметра с поворотными лопастями, расположенными в порядке возрастания диаметров и элементы качения. Смотрите Авторское свидетельство СССР № 1078120, F 03 D 1/00 - прототип.
Цель изобретения - увеличение производительности ветряных двигателей и уменьшения затрат на их производство. Для этого предоставить и убедительно доказать сведения, подтверждающие возможность осуществления данного изобретения, путем выведения математических выражений в формулах и графиках:
- определения полного расстояния пути воздушного потока ветра,
- определения кинематической вязкости воздушного потока ветра,
- определения максимальной силы струи воздушного потока ветра,
- определения максимальной работы воздушного потока ветра,
- определения максимальной мощности воздушного потока ветра,
- определения эффективной работы ветряного двигателя,
- определения эффективной мощности ветряного двигателя,
- определения коэффициента использования винта без нагрузки,
- определения коэффициента использования винта под нагрузкой.
- определения количества холостых оборотов ветряного двигателя,
- определения рабочей силы струи ветряного двигателя,
- определения количества оборотов ветряного двигателя, работающего без нагрузки генератора,
- определения количества оборотов ветряного двигателя, работающего с нагрузкой генератора.
Поставленная цель достигается тем, что ветряной двигатель, содержащий неподвижную башню, головку с четным или нечетным количеством ветряных колес различного диаметра с поворотными лопастями, расположенными в порядке возрастания диаметров и элементы качения, имеет, по меньшей мере, два ветряных колеса с поворотными лопастями, два устройства уплотнения, генератор, механизм синхронизации оборотов ветряного колеса и устройство ориентации на ветер, расположенных на одном валу и связанных через скользящие и опорные элементы с цилиндрической головкой, включающей в себя конусную гайку, корпус генератора, защитный кожух и поворотное устройство, расположенное в передней части цилиндрической головки и выполненное в виде втулки, которая при помощи скользящих и опорных элементов связана с опорной шайбой неподвижной башни, причем, каждое ветряное колесо содержит поворотные лопасти различной длины, объединенные в рабочие сектора, где каждый рабочий сектор имеет, по меньшей мере, одну поворотную лопасть, расстояние между ветряными колесами с поворотными лопастями составляет не менее половины диаметра от ветряного колеса, расположенного за генератором, лопасти которого снабжены аэродинамическим выступом, имеющим обтекающий профиль, при этом, устройства уплотнения расположены в корпусе генератора и внутри конусной гайки цилиндрической головки, механизм синхронизации оборотов ветряного колеса выполнен в виде связующего и поворотно-возвратного устройств, а электрическая проводка от генератора проходит по каналу внутренней полости цилиндрической головки и проходу втулки в неподвижное основание башни.
На фиг.1 изображен общий вид ветряного двигателя.
На фиг.2 изображено многосекторное ветряное колесо с поворотными лопастями.
На фиг.3 изображен ветряной двигатель с двумя поворотными лопастями ветряного колеса 5 и двумя поворотными лопастями ветряного колеса 9.
На фиг.4 изображен механизм синхронизации оборотов ветряного колеса.
На фиг.5 изображен график максимальной работы струи воздушного потока ветра, которая имеет диаметр два метра.
На фиг.6 изображена таблица максимальной работы и мощности воздушного потока ветра при 20° С и нормальном атмосферном давлении.
На фиг.7 изображены графики коэффициента использования винта, ветряного двигателя с разным количеством поворотных лопастей, имеющих разные массы.
На фиг.8 изображен сравнительный график максимальной и эффективной мощности ветряного двигателя, состоящего из одного и двух ветряных колес.
Ветряной двигатель, фиг.1, содержит вал 1, который через элементы качения 2 и элементы качения 3 взаимодействует с цилиндрической головкой 4. На одном основании вала 1 для передачи крутящих моментов на поворотные лопасти ветряного колеса 5 установлено шпоночное соединение 6. Резьбовое соединение 7 служит для фиксации ветряного колеса 5 при помощи конусной гайки 8. На другом основании вала 1 для передачи крутящих моментов на поворотные лопасти ветряного колеса 9 установлено шпоночное соединение 10, а для передачи крутящих моментов на генератор 11 установлено шпоночное соединение 12. Резьбовое соединение 13 служит для фиксации поворотных лопастей ветряного колеса 9 при помощи прорезной гайки 14. Резьбовое соединение 15 служит для фиксации устройства ориентации на ветер, которое выполнено в виде жесткости 16 и полого конуса 17. При помощи элементов качения 18, генератор 11 установлен в корпусе 19, который жестко закреплен на цилиндрической втулке 4. При помощи элементов крепления 20 в корпусе 19 установлен фланец 21. Опорный подшипник 22 расположен между фланцем и втулкой 23, которая взаимодействует с элементами качения 3. На внешней стороне корпуса 19 установлено уплотнительное соединение 24. Входное отверстие цилиндрической головки 4, при помощи резьбового соединения закрыто конусной гайкой 25. Внутри конусной гайки 25 установлено уплотнительное соединение 26. Поворотные лопасти ветряного колеса 9 снабжены аэродинамическим выступом 27, который имеет обтекающий профиль 28. Для повышения эффективности в пользовании ветряным двигателем количество рабочих секторов с поворотными лопастями ветряного колеса 5 и поворотными лопастями ветряного колеса 9 должно иметь четное или нечетное количество лопастей различной длины, объединенных в рабочие сектора, где каждый рабочий сектор имеет, по меньшей мере одну лопасть, причем минимальное расстояние между ветряными колесами с поворотными лопастями должно составлять не менее половины диаметра ветряного колеса с поворотными лопастями, расположенного за генератором. На цилиндрической головке 4 жестко установлена втулка 29 и кожух 30. Втулка 29 при помощи элементов качения 31 и элементов качения 32 взаимодействует с неподвижной башней 33. Внутри неподвижной башни 33 установлена опорная шайба 34, которая через опорные элементы качения 35 связана с втулкой 29. Электрические провода от генератора 11 проходят по каналу 36, внутренней полости цилиндрической головки 4, по проходу 37 втулки 29 в неподвижное основание башни 33. Многосекторное ветряное колесо, фиг.2, с поворотными лопастями содержит рабочий сектор 38, который имеет 8 поворотных лопастей, рабочий сектор 39, который имеет 4 поворотные лопасти, рабочий сектор 40, который имеет 2 поворотные лопасти. Причем любое ветряное колесо может содержать четное или нечетное количество рабочих секторов, имеющих четное или нечетное количество поворотных лопастей, но каждый рабочий сектор 41 должен иметь как минимум одну поворотную лопасть 42. Ветряной двигатель, фиг.3, содержит ветряное колесо 9, которое имеет четное или нечетное количество лопастей, например две лопасти, и ветряное колесо 5, которое имеет четное или нечетное количество лопастей, например две лопасти, должны иметь разные диаметры. Для надежной и устойчивой работы ветряного двигателя, диаметр ветряного колеса 9 должен превышать диаметр ветряного колеса 5, поз.43, на 10-25%. Механизм синхронизации оборотов ветряного колеса выполнен в виде связующего и поворотно-возвратного устройства, фиг.4. Связующее устройство содержит болт 44, который через пружину 45 взаимодействует с упорной шайбой 46 и стопорным устройством 47. Поворотно-возвратное устройство ветряного колеса 5 и ветряного колеса 9 содержит шарнир 48, расположенный на опорной втулке 49, которая при помощи пружины 46 и болта 44 взаимодействует с поворотной лопастью.
В зависимости от скорости ветряного потока, необходимо правильно выбрать тип ветряного колеса, содержащего четное или нечетное количество поворотных лопастей и рабочих секторов, правильно определить максимальную и эффективную мощность струи воздушного потока ветра, коэффициент использования ветряного колеса с нагрузкой и без нагрузки.
Возникла необходимость в корректировке математических формул, которые применяются в ветроэнергетике, гидродинамике и авиастроении, по
- определению полного расстояния пути воздушного потока ветра,
- определению кинематической вязкости воздушного потока ветра,
- определению максимальной силы струи воздушного потока ветра,
- определению максимальной работы воздушного потока ветра,
- определению максимальной мощности воздушного потока ветра,
- определению эффективной работы ветряного двигателя,
- определению эффективной мощности ветряного двигателя,
- определению коэффициента использования винта без нагрузки,
- определению коэффициента использования винта под нагрузкой,
- определению количества холостых оборотов ветряного двигателя,
- определению рабочей силы струи ветряного двигателя,
- определению количества оборотов ветряного двигателя, работающего без нагрузки генератора,
- определению количества оборотов ветряного двигателя, работающего с нагрузкой генератора.
Для наглядности определим максимальную работу струи воздушного потока ветра, имеющего диаметр 2 метра, который перемещается на расстояние 8 метров
А мах = F · L,
где:
F - сила воздушного потока ветра, Н;
L - расстояние пройденного пути, м;
А мах - максимальная работа воздушного потока ветра, Н· м.
Определим площадь круга рабочей струи воздушного потока,
где:
D - диаметр струи воздушного потока = 2 метра,
где:
П - 3,141592653...... (отношение длины окружности к диаметру);
S - площадь круга, м2;
D - диаметр круга, м.
Из химии мы знаем, что 1 литр воздуха при 20° С, нормальном атмосферном давлении и влажности весит 1,293 г или 0,001293 кг.
Определим объем воздуха, имеющего площадь круга 3,1415926 м2, и высоту воздушного столба один метр
V = S · h = 3,141592653 м2·1 м = 3,141592653 м3,
где:
V - объем воздушного цилиндра, м3;
S - площадь круга, м2;
h - высота воздушного столба, м.
Определим массу воздуха в 1 м3,
где:
1 литр = 1 дм3;
1 дм = 10-3 м;
1 м3 = 1000 дм3 = 1000 литров;
G=0,001293 кг · 1000 литров = 1,293 кг,
где:
G - масса воздуха, кг;
V - объем воздуха в 1 м3 или в 1000 литрах.
Определим плотность воздуха
,
где:
G - масса воздуха, кг;
V - объем воздуха, м3;
ро - плотность воздуха, кг/м3.
Определим сколько литров воздуха содержится в 3,14159265 м3,
где:
1 м3 = 1000 литров;
3,141592653 м3 = Х литров;
Определим вес воздуха в 3141,592653 литрах,
где:
1 литр = 0,001293 кг;
3141,592653 литров = Х кг;
Переведем вес воздуха в Ньютоны,
где:
9,80665 Н = 1 кг;
Х Н = 4,062079300329 кг;
Зная максимальную силу струи воздушного потока ветра и длину пути его перемещения, можно определить максимальную работу струи воздушного потока ветра
А= F · L,
где:
А - работа, Н· м;
F - сила, Н;
L - путь, м.
Наглядно определим максимальную работу струи воздушного потока ветра, имеющего диаметр 2 метра и высоту воздушного столба 1 метр, который дискретно перемещается на расстояние 8 метров.
Максимальная работа воздушного потока ветра, имеющего диаметр 2 метра и высоту столба 1 метр, который перемещается на расстояние 8 метров, =1434,07403894056980 Н· м.
На рисунке 1 множество натуральных чисел n,... ... ... , которые выражают полное расстояние всего пути воздушного потока ветра - L,
L = n+n+n... =1+2+3+4+5+6+7+8=36 м,
L - полное расстояние пути воздушного потока ветра, м.
n - множество натуральных чисел, которые выражают расстояние отдельных отрезков пути воздушного потока ветра и входят в общее расстояние отрезка пути воздушного потока ветра, м.
Определим максимальную работу струи воздушного потока ветра диаметром в 2 метра, которое проходит полное расстояние пути - 36 метров (при скорости ветра 8 м/с),
А мах = F · L=39,83538997 Н· 36 м = 1434,074039209798747 Н· м,
где:
L - путь перемещения воздушного потока ветра, м;
F - сила струи воздушного потока ветра, Н.
По формуле Белашова (1) можно определить полное расстояние всего пути воздушного потока ветра, м,
где:
L - полный путь перемещения воздушного потока ветра, м;
n - множество натуральных чисел, которые выражают расстояние отдельных отрезков пути воздушного потока ветра и входят в общее расстояние отрезка пути воздушного потока ветра, м.
По этой методике можно определить максимальную работу струи воздушного потока ветра, имеющего диаметр 2 метра, которое проходит полное расстояние пути воздушного потока ветра - 210 м (при скорости ветра 20 м/с),
А мах = F · L = 39,83538997 Н· 210 м = 8365,4318938... Н· м,
где:
L - путь перемещения воздушного потока ветра, м;
F - сила струи воздушного потока ветра, Н.
Зная силу струи воздушного потока воздуха, диаметр струи воздушного потока воздуха и плотность воздуха при 20° С и нормальном атмосферном давлении, можно вывести кинематическую вязкость воздушного потока - Б.
При этом необходимо учитывать, то, что воздушный поток ветра поступает дискретными импульсами через определенный интервал времени - Δ t, имеющего дискретное количество интервалов - n и
где:
F - сила струи воздушного потока = 39,83538997 Н;
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени=7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
D - диаметр струи воздушного потока = 2 метра;
ро - плотность воздуха = 1,293 кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8.
По формуле Белашова (2) можно определить максимальную силу струи воздушного потока ветра
(2)
где:
F м - максимальная сила струи воздушного потока ветра, Н;
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени=7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
ро - плотность воздуха, кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8.
По формуле Белашова (3) можно определить максимальную работу струи воздушного потока, который проходит полное расстояние пути воздушного потока ветра - 210 метров (при скорости ветра 20 м/с)
(3)
где:
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени =7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
L - расстояние пути воздушное потока ветра, м;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
ро - плотность воздуха, кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8.
A мах - максимальная работа струи воздушного потока, Н· м.
Формула Балашова (3) точно определяет максимальную работу струи воздушного потока ветра на всех скоростях, смотрите таблицу №1 фиг.6 и соответствует размерным единицам физических величин.
Кинематическая вязкость воздушного потока воздуха за единицу времени, при 20° С и нормальном атмосферном давлении, (4) выведена А.Н.Белашовым и соответствует размерным единицам физических величин
(4)
Б=7,70212489908158646549242043365948... ... ... м2/с.
По формуле Белашова (5) можно определить эффективную работу ветряного двигателя
(5)
где:
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени =7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
L - расстояние пути воздушного потока ветра, м;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
ро - плотность воздуха, кг/м3;
k н - коэффициент использования винта с нагрузкой;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8;
А эфф - эффективная работа струи воздушного потока, Н· м.
Из физики мы знаем, что мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в одну секунду,
где:
А - paбота, Н· м;
Р - мощность, Вт;
t - время, с.
По формуле Балашова (6) можно определить максимальную мощность воздушного потока
(6)
где:
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени=7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
L - расстояние пути воздушного потока ветра, м;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
ро - плотность воздуха, кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
t - время, с;
n и - количество дискретных интервалов = 8;
Р мах - максимальная мощность струи воздушного потока, Вт.
По формуле Белашова (7) можно определить эффективную мощность ветряного двигателя
(7)
где:
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени = 7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
L - расстояние пути воздушного потока ветра, м;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
po - плотность воздуха, кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
t - время, с;
k н - коэффициент использования винта с нагрузкой;
n и - количество дискретных интервалов = 8;
P эфф - эффективная мощность струи воздушного потока, Вт.
По формуле Белашова (8) можно определить коэффициент использования винта с нагрузкой
(8)
где:
Б - кинематическая вязкость воздушного за единицу времени = 7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
L - расстояние пути воздушного потока ветра, м;
m - масса лопастей ветряного двигателя, кг;
k н - коэффициент использования винта с нагрузкой;
n под - число подшипников ветряного двигателя;
S лоп - площадь одной лопасти ветряного двигателя;
n лоп - натуральное число лопастей ветряного двигателя;
sin ∠ - угол поворота лопасти, град.;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8;
М п.воз - вентиляционные потери воздушной среды, Н· м;
М п.под - потери на трение подшипников, Н· м.
A max - максимальная работа струи воздушного потока ветра при заданной скорости, Н·м.
Например необходимо рассчитать коэффициент использования винта, изготовленного из прессованной древесины покрытой пленкой из углепластика, который имеет следующие характеристики:
длина лопасти - 1 м;
ширина лопасти - 0,08 м;
D - диаметр ветряного двигателя - 2 м;
m - масса 3 лопастей крепежного и связывающего устройства ветряного двигателя - 5,0 кг;
V - линейная скорость воздушного потока ветра - 8 м/с;
L - полный путь перемещения воздушного потока ветра - 36 м;
Δ t - дискретный интервал времени - 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов - 8;
po - плотность воздуха - 1,293 кг/м3;
A max - максимальная работа струи воздушного потока ветра при скорости 8 м/с - 1434 Н· м;
S лоп - площадь одной лопасти ветряного двигателя - 0,08 м2;
n лоп - число лопастей ветряного двигателя - 3;
sin ∠ - угол поворота лопасти 15° - 0,258819;
М п.воз - вентиляционные потери воздушной среды - 0,6 Н· м;
М п.под - число подшипников ветряного двигателя - 2 шт.;
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени = 7,70212489908158646549242043365948 м2/с.
По формуле Белашова (8) определим коэффициент использования винта с нагрузкой
На фиг.7 изображены графики коэффициента использования винта ветряного двигателя с разным количеством поворотных лопастей, имеющего разные массы:
- поз.50 изображен график коэффициента использования винта ветряного двигателя с одной поворотной лопастью, имеющего массу 1,2 кг;
- поз.51 изображен график коэффициента использования винта ветряного двигателя с двумя поворотными лопастями, имеющего массу 2,5 кг;
- поз.52 изображен график коэффициента использования винта ветряного двигателя с тремя поворотными лопастями, имеющего массу 5 кг;
- поз.53 изображен график коэффициент использования винта ветряного двигателя с четырьмя поворотными лопастями, имеющего массу 6,2 кг;
- поз 54 изображен график коэффициента использования винта ветряного двигателя с шестью поворотными лопастями, имеющего массу 8,6 кг;
- поз.55 изображен график коэффициента использования винта ветряного двигателя с восьмью поворотными лопастями, имеющего массу 11 кг;
- поз.56 изображен график коэффициента использования винта ветряного двигателя с тремя поворотными лопастями, которые взаимодействуют с нагрузкой генератора.
Момент трения в подшипниках качения, применяемых в качестве опор оси ветряного двигателя можно, определить по формуле:
М п.под. = 0,5 · G · f · d,
где:
G - вес ветряного двигателя, кг;
f - приведенный коэффициент трения в подшипниках качения;
d - диаметр вала под подшипником, м.
Вентиляционные потери энергии в воздушной среде можно определить по формуле:
где:
n - частота вращения винта, об/мин;
p - давление среды в долях от атмосферного;
L - ширина винта, м;
D - диаметр винта, м;
М п.воз - вентиляционные потери воздушной среды, Н· м.
По формуле Белашова (5) определим эффективную работу ветряного двигателя, который проходит полное расстояние пути воздушного потока ветра - 36 метров (при скорости ветра 8 м/с),
По формуле Белашова (7) определим эффективную мощность ветряного двигателя, который проходит полное расстояние пути воздушного потока ветра - 36 метров (при скорости ветра 8 м/с),
По формуле Белашова (9) можно определить эффективную силу струи воздушного потока ветра в зависимости от коэффициента использования винта с нагрузкой
(9)
где:
F эфф - эффективная сила струи воздушного потока ветра, Н;
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени =7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
k н - коэффициент использования винта с нагрузкой;
po - плотность воздуха, кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8.
По формуле работы можно определить количество оборотов ветряного двигателя, который находится под нагрузкой генератора (при скорости воздушного потока ветра 8 м/с)
A = F · L = F эфф · П · D · n,
где:
L = П · D · n,
где:
F эфф - эффективная сила струи воздушного потока ветра, Н;
A эфф - эффективная работа струи воздушного потока, Н· м;
L - путь лопасти ветряного колеса, м;
П - 3,141592653 (отношение длины окружности к его диаметру);
D - диаметр ветряного колеса, м;
n - количество оборотов винта под нагрузкой.
По формуле Белашова (10) можно определить коэффициент использования винта без нагрузки
(10)
А эфф - эффективная работа струи воздушного потока, Н· м;
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени =7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
L - расстояние пути воздушного потока ветра, м;
S лоп - площадь одной лопасти ветряного двигателя, м2;
sin ∠ - угол поворота лопасти, град.;
k x - коэффициент использования винта без нагрузки;
m - масса лопастей ветряного двигателя, кг;
Δ t - дискретный интервал времени - 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов - 8;
М п.воз - вентиляционные потери воздушной среды, Н· м;
М п.под - потери на трение подшипников, Н· м;
n под - число подшипников ветряного двигателя;
По формуле Белашова (11) можно определить холостую силу струи воздушного потока ветра, которая свободно вращает лопасти ветряного двигателя
(11)
где:
F хол - холостая сила струи воздушного потока ветра, Н;
Б - кинематическая вязкость воздушного потока за единицу времени =7,70212489908158646549242043365948 м2/с;
D - диаметр струи воздушного потока, м;
k x - коэффициент использования винта без нагрузки;
ро - плотность воздуха, кг/м3;
Δ t - дискретный интервал времени = 0,125 с;
n и - количество дискретных интервалов = 8.
По формуле работы можно определить количество холостых оборотов винта ветряного двигателя, который не нагружен генератором, где лопасти ветряного двигателя находятся в свободном вращении (при скорости ветра 8 м/с),
A= F · L = F хол · П · D · n,
где:
L = П · D · n,
где:
F хол - холостая сила струи воздушного потока ветра, Н;
А эфф - эффективная работа струи воздушного потока, Н· м;
L - путь лопасти ветряного двигателя, м;
П - 3,141592653 (отношение длины окружности к его диаметру);
D - диаметр ветряного колеса, м;
n - количество оборотов винта об/мин.
Если ветряной двигатель не нагружен генератором, то на лопастях ветряного двигателя возникает очень большая центростремительная сила, которую можно вычислить по формуле:
где:
F ц - центростремительная сила, Н;
m - масса лопастей и соединительного устройства, кг;
V - линейная скорость измеряемого воздушного потока, м/с;
R - радиус ветряного двигателя, м.
При этом необходимо учитывать, что величина А эфф включает в себя не только эффективную работу ветряного двигателя, но и эффективную работу генератора. В эффективную работу генератора входит к.п.д. генератора в процентах и другие потери электрических компонентов ветряной установки
где:
Р 1 - потребляемая мощность генератора, Вт;
Р 2 - полезная мощность генератора, Вт;
U - напряжение на зажимах генератора, V;
I - ток в нагрузке, А;
Р ст - потери мощности в стали на гистерезис и вихревые токи;
Р об - потери мощности в обмотках на нагрев проводников;
Р мех - потери механические на трение в подшипниках;
n - к.п.д. генератора,
и далее:
- воздушные потери якоря,
- потери энергии на линии связи генератора с потребителем,
- потери энергии на реактивное сопротивление якоря.
Для ветряного двигателя Белашова целесообразно применять модульные генераторы Белашова, статоры которых выполнены из диамагнитного материала, которые
- могут иметь синусоидальный сигнал переменного тока и напряжения или прямоугольный импульсный сигнал переменного напряжения и тока;
- имеют хорошее охлаждение;
- имеют большую площадь системы возбуждения;
- имеют надежное сопротивление изоляции;
- не имеют потерь на гистерезис;
- не имеют потерь на вихревые токи.
- не имеют потерь на реактивное сопротивление якоря.
- потребитель может самостоятельно задавать и комплектовать из отдельных модулей любые параметры генератора, при заданном количестве оборотов.
В данном случае это необходимо, для того чтобы генератор, без мультипликатора, при 340 об/мин смог выработать мощность эдс не менее 420 Вт.
На фиг.8 изображен сравнительный график максимальной мощности ветряного потока, имеющего диаметр 2 метра, поз.57, который составлен по таблице №1, фиг.6. Поз.58 обозначен график эффективной мощности ветряного двигателя без нагрузки, который составлен по графику 52, фиг.7, с учетом коэффициента использования винта, имеющего три поворотные лопасти и массу 5 кг. Поз.59 обозначен график эффективной мощности ветряного двигателя, который нагружен генератором, с учетом коэффициента использования винта, изображенного на графике 56. Поз.60 обозначен график ветряного двигателя Белашова, который имеет два ветряных колеса, каждое из которых состоит из трех поворотных лопастей.
Из графиков коэффициента использования винта ветряного двигателя, имеющего разное количество поворотных лопастей, фиг.7, ясно, что ветряные колеса, имеющие три поворотные лопасти, которые широко применяются в ветроэнергетике, являются самыми неэффективными. При линейной скорости воздушного потока выше 5 м/с, ветряной двигатель Белашова целесообразно комплектовать из ветряных колес, каждое из которых снабжено двумя поворотными лопастями, фиг.3.
При линейной скорости воздушного потока меньше 5 м/с или при больших диаметрах ветряного колеса, ветряные двигатели Белашова целесообразно комплектовать из многосекторных ветряных колес 9 с большим количеством поворотных лопастей и рабочих секторов, фиг 2, которое работает следующим образом. При небольших потоках ветра, скорость которых выше одного м/с, за счет давления ветра на все поворотные лопасти ветряное колесо 9 начинает вращаться. При усилении давления ветра на поворотные лопасти рабочего сектора 38 увеличивается угловая скорость ветряного колеса. Поворотные лопасти этого сектора, при дальнейшем увеличении скорости вращения ветряного колеса, постепенно перекрывают воздушный поток рабочего сектора 38, который начинает максимально использовать работу воздушного потока на данной скорости ветра и данном ускорении ветряного колеса. Воздушные потери, т.е. неиспользованный воздушный поток рабочего сектора 38 начинает постепенно перераспределяться на рабочий сектор 39, который начинает максимально использовать воздушный поток своего сектора и воздушные потери воздуха рабочего сектора 38. При усилении давления на поворотные лопасти рабочего сектора 39, увеличивается угловая скорость ветряного колеса, которая постепенно перекрывает воздушный поток рабочего сектора 39, который начинает максимально использовать работу ветряного потока на данной скорости ветра и данном ускорении ветряного колеса. Воздушные потери, т.е. неиспользованный воздушный поток рабочего сектора 39 начинает перераспределяться на рабочий сектор 40, который начинает максимально использовать воздушный поток своего сектора и воздушные потери рабочего сектора 40, увеличивается угловая скорость ветряного колеса, которая постепенно перекрывает воздушный поток рабочего сектора 40, который начинает максимально использовать работу воздушного потока на заданной скорости ветра и данном ускорении ветряного колеса. Воздушные потери, т.е. неиспользованный воздушный поток рабочего сектора 40 начинает перераспределяться на рабочий сектор 41, который должен иметь как минимум одну поворотную лопасть 42. Для уменьшения потерь воздушного потока ветра, внешние основания поворотных лопастей снабжены аэродинамическим выступом 27, который имеет обтекающий профиль 28. При проектировании ветряного двигателя необходимо учитывать то, что ветряное колесо с меньшим числом поворотных лопастей будет вращаться быстрее за счет того, что успевает захватывать воздушный поток большей площади. При больших порывах ветра или других экстремальных ситуациях, начинает работать механизм синхронизации оборотов ветряного колеса, который при помощи связующего и поворотно-возвратного устройства предотвращает разрушение поворотных лопастей ветряного колеса за счет его прогиба, и одновременно данное устройство замедляет вращение поворотных лопастей ветряного колеса за счет того, что перераспределяет силу воздушного потока, которая действует на угловую скорость вращения винта ветряного двигателя Белашова.
Изобретение позволяет увеличить производительность ветряных двигателей и уменьшить затраты на их производство при применении в одном ветряном двигателе как минимум двух ветряных колес с четным или нечетным количеством поворотных лопастей, которые работают в одном воздушном потоке, а также пересмотреть существующие математические формулы, применяемые сейчас в ветроэнергетике, гидродинамике и авиастроении.
Справочные материалы:
Книга "Единицы физических величин и их размерность", автор Л.А. Сена, издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, город Москва,1988 год.
Книга "Ветродвигатели и их применение в сельском хозяйстве”, автор Фатеев Е.М., издательство “МашГис”, 1957 год.
Книга "Маховичные двигатели", автор М.В.Гулиа, издательство "Машиностроение", город Москва, 1976 год.
Книга "Общая химия", автор Н.Л.Глинка, издательство "Химия", город Ленинград, 1988 год.
Книга "Физика, справочные материалы", автор О.Ф.Кабардин, издательство “Просвещение”, город Москва, 1988 год.
Патент Российской Федерации “Универсальная электрическая машина Белашова”, № 2118036, H 02 K 23/54, 27/24, 27/00 за 1998 год.
Книга “Электротехника с основами промышленной электроники”, автор В.Е.Китаев и Л.С.Шляпинтох, издательство “Высшая школа”, Москва, 1973 год.
Ветряной двигатель, содержащий неподвижную башню, головку с четным или нечетным количеством ветряных колес различного диаметра с поворотными лопастями, расположенными в порядке возрастания диаметров, и элементы качения, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, два ветряных колеса с поворотными лопастями, два устройства уплотнения, генератор, механизм синхронизации оборотов ветряного колеса и устройство ориентации на ветер, расположенных на одном валу и связанных через скользящие и опорные элементы с цилиндрической головкой, включающей в себя конусную гайку, корпус генератора, защитный кожух и поворотное устройство, расположенное в передней части цилиндрической головки и выполненное в виде втулки, которая при помощи скользящих и опорных элементов связана с опорной шайбой неподвижной башни, причем каждое ветряное колесо содержит поворотные лопасти различной длины, объединенные в рабочие сектора, где каждый рабочий сектор имеет, по меньшей мере, одну поворотную лопасть, расстояние между ветряными колесами с поворотными лопастями составляет не менее половины диаметра ветряного колеса, расположенного за генератором, лопасти которого снабжены аэродинамическим выступом, имеющим обтекающий профиль, при этом устройства уплотнения расположены в корпусе генератора и внутри конусной гайки цилиндрической головки, механизм синхронизации оборотов ветряного колеса выполнен в виде связующего и поворотно-возвратного устройств, а электрическая проводка от генератора проходит по каналу внутренней полости цилиндрической головки и проходу втулки в неподвижное основание башни, причем устройство ориентации на ветер выполнено в виде жесткости и полого конуса.
