http://www.eprussia.ru/epr/151/11713.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 11 (151) июнь 2010 года
Ветродвигатель Туркина
Производство для энергетики
Константин ТУРКИН, Анатолий СЕКЕРИН
В последнее время отечественные изобретатели активно взялись за разработки в области энергии ветра.
Типы двигателей
Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.
Первый класс включает ветро-двигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветро-двигатели называются крыльчатыми. Быстроходностью при этом называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.
Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656‑44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности разделяются на три группы:
• ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn < 2;
• ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn > 2;
• ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn > 3.
Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:
• карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;
• роторные ветродвигатели системы Савониуса.
К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.
Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно:
• так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %, что установлено экспериментальными исследованиями;
• движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра;
• размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности ветро-двигателя.
Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние годы мощность ветродвигателей увеличилась более чем в сто раз: от 20‑60 кВт при диаметре ротора около 20 метров в начале 1980-х годов до 5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 метров. Некоторые прототипы ветро-двигателей имеют еще большие мощность и диаметр ротора. При этом стоимость генерируемой ветряками энергии снизилась на 80 процентов.
Роторные ветродвигатели
Известна роторная ветроэнергетическая установка (патент РФ № 2130127) с горизонтальным валом отбора мощности, ветровое колесо которой имеет смонтированные посредством радиальных несущих опор радиально расположенные конусообразные роторы с концевыми диафрагмами. При этом конусы роторов обращены большими основаниями к валу отбора мощности, а меньшими основаниями – к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах 2‑4 градусов. Кроме того, ротор разделен на части дополнительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами.
Части ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга и имеют различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветрового колеса к периферии ротора, что позволяет повысить коэффициент использования ветрового потока.
Особенностью данной конструкции является большая общая площадь установки и сложность передачи мощности к исполнительным механизмам.
Известен также роторный ветродвигатель, содержащий установленный на вертикальном валу ротор, размещенный в корпусе (патент РФ № 2118703). Ротор выполнен с двумя крыльями в форме двух полуцилиндров, смещенных друг относительно друга на расстояние не меньшее, чем величина их радиуса, и жестко закрепленных между верхним и нижним дисками. Крылья ротора выполнены с продувными закрылками в форме вогнутых пластин, а корпус снабжен створками для входа и выхода воздушного потока и направления его на крылья ротора и выполнен в виде диффузора. В данном изобретении решается задача создания простой и надежной конструкции ветродвигателя с использованием легких материалов – фанеры, пластмассы, текстолита, тонколистового металла. Однако данная конструкция отличается низкой устойчивостью к сильным порывам ветра и ураганам, а также малопригодна для серийного производства.
В изобретении по патенту РФ № 2169857 также предлагается вариант ветряного агрегата с упрощенной конструкцией, в котором на неподвижном центральном валу размещен подвижный каркас с плоскими рабочими лопастями. Над каждой рабочей лопастью при посредстве планетарного зубчатого редуктора установлен флюгер, ось которого укреплена с возможностью поворота в корпусе редуктора. При этом центральный вал выполнен в виде ресивера для закачки в него сжатого воздуха от установленного на агрегате компрессора. Эта конструкция также отличается громоздкостью и низкой устойчивостью к сильным порывам ветра.
Общим недостатком аналогов является необходимость значительного начального стартового момента, что уменьшает КПД ветродвигателей. Как следствие, это вызывает импульсивность их работы, что отрицательно сказывается на приводимых механизмах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению можно считать роторный ветродвигатель с ротором Савониуса.
Агрегат представляет собой каркас, в котором размещена система из четырех попарно соосных полуцилиндров, установленных на горизонтальные диски. Для повышения эффективности работы ветродвигателя вся конструкция поднята на высокую мачту, на которой предусмотрена специальная площадка для обслуживающего персонала. Приводимые механизмы размещаются на земле, в створе между опорами мачты.
Рабочие лопасти ротора предлагается выполнять изогнутой формы так, чтобы угол подъема наружной кромки лопастей (так называемый угол атаки) составлял от 0 до 180 градусов. Это позволит обеспечить подъем воздушных масс от нижнего основания конструкции вверх и поступление новых воздушных масс независимо от условий местности, в которой устанавливается двигатель, и приведет к увеличению скорости вращения лопастей. Для увеличения рабочей площади ветроприемных поверхностей, а также для удобства транспортировки рабочие лопасти ротора могут быть выполнены сборными.
Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает равномерность работы ветродвигателя и резко повышает его эффективность при любой скорости ветра. Изогнутая во всех направлениях форма ветроприемных лопастей образует постоянную рабочую поверхность, обращенную к потоку воздуха независимо от направления его движения, и значительно снижает уровень стартового момента для запуска ветродвигателя. Кроме того, предлагаемая форма рабочих лопастей ротора обеспечивает работу двигателя и с восходящими, и с нисходящими потоками воздуха, повышая тем самым его КПД и эффективность использования в целом.
Как работает агрегат
Поток движущегося воздуха, набегая на внутреннюю стенку одной из рабочих лопастей ротора, благодаря вогнуто-выпуклому винтообразному ее исполнению автоматически поворачивает жестко связанные между собой лопасти. Коромыслами движение передается валу, который, в свою очередь, передает вращающий момент на второй вал. Поток входящего воздуха поднимается винтообразно по лопастям. При этом снимаются вихревые потоки с кромок лопастей, уменьшается их лобовое сопротивление, и скорость вращения ротора увеличивается. С подъемом воздушных мacc вверх появляется тяга, провоцирующая поступление новых воздушных масс, и все эффекты усиливаются. Это влечет за собой увеличение вращающего момента и передачу его через вал храповому механизму, который вращает маховик энергоаккумулятора. В энергоаккумуляторе происходит накопление энергии, что позволит стабилизировать число оборотов и обеспечить более устойчивую работу ветро-двигателя.
С вала вращение передается и другим потребителям механической энергии.
В отсутствие ветра маховик вращается за счет накопленной энергии, а храповой механизм отключает рабочие лопасти ротора, что позволит предохранить ветродвигатель от перегрузок и, следовательно, повысить его надежность и долговечность.
Технические преимущества использования предлагаемого роторного ветродвигателя состоят в следующем.
1. Изогнутая винтообразная форма рабочих лопастей ротора благодаря изменяемому углу атаки всегда обращена к поступающему потоку воздуха независимо от направления его движения. За счет этого создается смерчеподобный поток воздуха, что уменьшает лобовое сопротивление, а также резко повышает эффективность двигателя при любых скоростях ветрового потока независимо от рельефа местности.
2. Как следствие, стартовый момент запуска ветродвигателя минимален.
3. Благодаря переменному сечению и дугообразному профилю рабочих лопастей ротора увеличивается их аэродинамический эффект.
4. Как следствие первых трех качеств, конструкция предлагаемого ветродвигателя может выдерживать большие ураганные ветры и резкие порывы, сохраняя стабильную, надежную и безопасную работу агрегата.
5. Конструктивные особенности рабочих лопастей ротора позволяют с одинаковой эффективностью использовать в качестве рабочей среды не только воздушные потоки любых направлений – прямые горизонтальные, восходящие, нисходящие и т. д., но и водные, то есть использовать двигатель как гидроагрегат.
Из технических преимуществ вытекают экономические. Так как отпадает необходимость устанавливать рабочую часть ветродвигателя на высокую мачту, облегчается оперативный доступ при его ремонте и техническом обслуживании. При этом все приемные механизмы также устанавливаются внизу, что облегчает их подсоединение к двигателю.
Возможность выполнения ротора в виде сборной конструкции позволяет варьировать его длиной и упростить транспортировку двигателя.
Предлагаемый роторный ветродвигатель может найти широкое применение, особенно в условиях сельской местности, а также в геологических партиях. Компактность конструкции и ее простота делают возможным значительно снизить материалоемкость и в целом себестоимость предлагаемого агрегата, что привлечет внимание к нему потенциальных потребителей.
Отправить на Email
Также читайте в номере № 11 (151) июнь 2010 года:
-
Энергоконтрафакт – угроза безопасности Энергетический комплекс России – сложная структура, объединяющая различные подотрасли. ...
-
Антикварную ТЭЦ Вайнзихер закрыл на замок 
В мае завершилась история одной из старейших электростанций нашей страны: первой тепловой электростанции плана ГОЭЛРО – ТЭЦ-5 «Красный Октябрь» в Санкт-Петербурге. ...
-
На надежности не экономят 
В настоящее время в промышленности, энергетике, рынке ИТ и телекоммуникаций не прекращается рост потребности в системах ИБП (источниках бесперебойного питания). ...
-
Блиц Министерство экономического развития понизило прогноз по экспорту природного газа на 2010 год до 205,7 миллиарда кубометров. Это на 5 процентов меньше утвержденного в декабре 2009 года правительством прогноза в 216,7 миллиарда кубометров. Экспорт нефти в 2010 году составит 250,5 миллиона тонн – на 3,5 миллиона тонн больше, чем в предыдущем утвержденном прогнозе. Прогноз по добыче газа в 2010 году министерство повысило на 3 миллиарда ...
-
ОДУ Востока: есть высокие риски 
Генеральный директор филиала «СО ЕЭС» Объединенное диспетчерское управление энергосистемами Востока (ОДУ Востока) Сергей Другов на пресс-конференции в Хабаровске рассказал о перспективах развития региональной энергетики. ...
