Ветросиловая установка для производства энергии

1 Изобретение относится к ветросиловой установке для производства энергии, содержащей аксиально проточное рабочее колесо, расположенное с возможностью вращения на валу и снабженное рабочими лопатками, и направляющий аппарат для ускорения протекания воздуха через рабочее колесо. Традиционные ветросиловые установки содержат в большинстве случаев рабочие колеса пропеллерного типа, которые с целью производства энергии установлены по направлению ветра или встречно ему. Правда, известные типы рабочих колес имеют недостаток, проявляющийся в том, что их рентабельность, в частности, при низких скоростях ветра и их незначительных диаметрах, является чрезвычайно низкой. Из DE 33 23 200 А известно, что для повышения экономичности воздух направляется на рабочее колесо через воронкообразный направляющий аппарат. Направляющий аппарат имеет сужающуюся к турбинному колесу сопловую форму, которая должна обеспечить ускорение протекания воздушного потока через рабочее колесо. Однако такая известная ветросиловая установка обладает значительными размерами, в частности, значительной монтажной длиной, вследствие чего она вряд ли может пользоваться большим коммерческим интересом, особенно, в частном секторе. Задача предлагаемого изобретения состоит в создании такой ветросиловой установки, благодаря которой будут устранены известные недостатки, и которая при компактном монтажном исполнении по возможности эффективно будет использовать имеющуюся ветровую энергию. Согласно изобретению указанная задача решается за счет того, что направляющий аппарат состоит из нескольких, сужающихся в направлении потока проточных каналов, расположенных по венцу рабочего колеса и распределенных вокруг вала, что рабочие лопатки отнесены к соответствующим проточным каналам и что рабочее колесо содержит охватывающий его наружный кожух. Существенная доля повышения КПД ветросиловой установки согласно изобретению обусловлена тем, что воздушный поток используется почти всей проектируемой поверхностью основания рабочего колеса, для чего оно содержит множество предназначенных для воздушного потока проточных каналов, расположенных в виде венца вокруг вала, причем для отдельных проточных каналов предусмотрены соответствующие рабочие лопатки. Следовательно каждый проточный канал содержит свой собственный направляющий аппарат, с помощью которого он подает воздушную струю к соответствующим лопаткам. Благодаря особому варианту выполнения отдельных проточных каналов и наличию охватывающего рабочее колесо наружного кожуха достигается дополнительное повышение скоростного напора перед 2 рабочим колесом, в результате чего достигается дополнительное ускорение протекающего через рабочее колесо воздуха. Рабочие лопатки могут располагаться, например, в проточных каналах до их конца или даже дальше. Если требуется упростить конструкцию, то рекомендуется располагать рабочие лопатки за соответствующим проточным каналом. Особо оптимальные условия достигаются в ветросиловой установке в том случае, когда проточные каналы в конце их сужения снова расширяются, причем в этом случае отдельные каналы имеют сечение сопловой формы, и в зоне расположения рабочих лопаток устанавливается максимальная скорость потока. Для максимально эффективного использования ветросиловой установки согласно изобретению в широком диапазоне скоростей воздушного потока рабочие лопатки выполнены поворотными, в результате чего угол атаки рабочих лопаток может приводиться в соответствие с преобладающим воздушным потоком. Согласно оптимальному варианту осуществления изобретения в проточных каналах перед рабочими лопатками располагаются направляющие перегородки, с помощью которых воздушный поток подается на рабочие лопатки. Такими направляющими перегородками могут служить, например, направляющие рельсы,обеспечивающие подачу воздушного потока к середине проточного канала. Для обеспечения по возможности постоянного числа оборотов, например, в условиях порывистого ветра рабочее колесо может быть оснащено расположенным соосно с ним дисковым маховиком, связанным с ним разъемно посредством муфты. Например, во время запуска дисковый маховик может быть разобщен с рабочим колесом для снижения инертности последнего и, в частности, для ускорения пуска при малой силе ветра. Затем, по достижении рабочим колесом необходимого числа рабочих оборотов маховик можно медленно соединять с рабочим колесом и таким образом использовать его вкачестве аккумулятора энергии для компенсации колебаний числа оборотов. Особо большой момент инерции и, следовательно,возможность компенсации колебаний числа оборотов, а также простые конструктивные соотношения достигаются в том случае, когда дисковый маховик располагается в наружном кожухе рабочего колеса. В том случае, когда требуется мобильное использование ветросиловой установки согласно изобретению, последняя монтируется на несущем транспортном средстве. Таким несущим транспортным средством может служить, например, экскаватор, на стреле которого монтируется ветросиловая установка. В этом случае ориентация по направлению ветра обеспечивается с помощью кольца катания гусеничного транспортного средства. Гусеничное транспорт 3 ное средство может легко и без использования дополнительных средств перемещаться по местности даже к трудно доступным местам. Если КПД ветросиловой установки согласно изобретению необходимо дополнительно повысить или более эффективно использовать имеющуюся ветровую энергию, то предлагается установить за рабочим колесом вспомогательное, аксиально проточное рабочее колесо, расположенное на дополнительном валу. Вспомогательное рабочее колесо может быть оборудовано, например, обычной системой лопастей несущего винта, при этом лопасти несущего винта целесообразно выполнить поворотными для приведения в соответствие с имеющимися условиями. Ветросиловая установка согласно изобретению устанавливается на мачте, либо с расположением оси вращения навстречу ветру, либо рабочее колесо на вертикальной оси размещается в башне, содержащей поворотную соосно рабочему колесу головную часть с коленом трубы, направляющим воздушный поток к рабочему колесу, в результате чего также достигается возможность использования при производстве энергии перепада давления между верхней и нижней частями башни, т.е. между впускным и выпускным отверстиями. Если требуется дополнительно увеличить скорость прохождения потока через рабочее колесо, то целесообразно сузить в направлении потока участок сопряжения между коленом трубы и рабочим колесом. Если в случае необходимости используется либо основное, либо вспомогательное рабочее колесо во время работы в качестве направляющего аппарата для соответственно другого колеса, то основное и/или вспомогательное рабочее колесо оборудуются тормозным устройством, с помощью которого соответствующее колесо тормозится до полной остановки. Изобретение схематически показано на чертеже с помощью примера его осуществления. При этом изображено на фиг. 1 ветросиловая установка согласно изобретению, вид спереди; фиг. 2 - ветросиловая установка на фиг. 1,вид сбоку с частичным разрезом; фиг. 3 - ветросиловая установка на фиг. 1 и 2 с вспомогательным рабочим колесом, расположенным за основным рабочим колесом, вид сзади; фиг. 4, 5 - вариант выполнения ветросиловой установки на фиг. 2, 3, вид спереди и вид сбоку; фиг. 6 - схема распределения скорости и давления в проточном канале; фиг. 7 - направляющие перегородки в проточном канале; фиг. 8 - пример выполнения рабочих лопаток; 4 фиг. 9, 10 - ветросиловая установка согласно изобретению, расположенная в башне,вид спереди и вид сбоку с разрезом; фиг. 11, 12 - ветросиловая установка на фиг. 9, 10, вид сверху с частичным разрезом; фиг. 13 - вариант сооружения ветросиловой установки, показанной на фиг. 9-12, вид сбоку с частичным разрезом. Ветросиловая установка 1 для производства энергии состоит в основном из аксиально проточного рабочего колеса 4, закрепленного на валу 2 и снабженного рабочими лопатками 3, и направляющего аппарата 5 для ускорения протекания воздуха через рабочее колесо 4. Направляющий аппарат 5 содержит несколько проточных каналов 6, сужающихся в направлении истечения потока. Проточные каналы 6 вместе со своими направляющими аппаратами 5 расположены по венцу рабочего колеса 4 и распределены вокруг вала 2 для использования воздушного потока по всему обтекаемому сечению рабочего колеса 4. Рабочие лопатки 3 отнесены к проточному каналу 6, а рабочее колесо 4 содержит охватывающий его наружный кожух 7. Этот наружный кожух 7 имеет форму кольцевого сопла, за счет чего возрастает скоростной напор перед рабочим колесом 4. Кроме того,скоростной напор повышается благодаря расположенным по венцу направляющим аппаратам 5. За рабочим колесом 4 располагается на детально не показанном дополнительном валу вспомогательное рабочее колесо 18, которое,как и основное, является аксиально проточным и предназначено для лучшего использования ветровой энергии (фиг. 3). Вспомогательное рабочее колесо 18 также приводит в действие генератор. В конце своего сужения проточные каналы 6 снова расширяются. В целях повышения степени использования ветросиловой установки 1 рабочие лопатки могут иметь профиль крыла. Целесообразно также, чтобы рабочие лопатки 3 образовывали между собой проточные каналы сопловой формы и чтобы проточные каналы сужались на участке между точками m и n (фиг. 8) и за ним снова расширялись. Для приведения в соответствие с преобладающей скоростью ветра рабочие лопатки 3 выполнены поворотными. Также в отдельных проточных каналах 6 могут располагаться перед рабочими лопатками 3 направляющие перегородки 8. Такие направляющие перегородки 8 служат для придания воздушному потоку в проточных каналах 6 направления истечения к рабочим лопаткам. Для мобильного использования ветросиловой установки 1 последняя может устанавливаться на подвижном транспортном средстве 9,как это показано на фиг. 4 и 5. Рабочее колесо 4 крепится на валу 2, расположенном с возможностью вращения в корпусе 11 и соединенном через редуктор 10 и муфту 12 с генератором 13, с помощью которого ветровая энергия преобразу 5 ется в электрическую. Ветросиловая установка 1 монтируется на стреле 14 транспортного средства 9. Ориентация ветросиловой установки 1 по направлению ветра осуществляется с помощью круга 15 катания транспортного средства и, например, электродвигателя, находящегося в зацеплении с этим кругом. Как показано на фиг. 2, 3, ветросиловая установка 1 согласно изобретению смонтирована на решетчатой опоре 16. Рабочее колесо 3 содержит расположенное посередине и соосно с валом 2 вытеснительное тело 17, служащее одновременно ступицей для рабочего колеса 4 и направляющее воздушный поток из внутреннего пространства колеса, в котором полезный эффект вследствие незначительного зазора по отношению к оси вращения является очень малым, в расположенные дальше наружу проточные каналы, в результате чего достигается дополнительное повышение скоростного напора перед рабочим колесом 4. Согласно варианту выполнения ветросиловой установки 1 рабочее колесо 4 установлено на вертикальной оси в башне 20, содержащей поворотную соосно рабочему колесу 4 головную часть 21 с коленом 22 трубы, отклоняющим горизонтальный воздушный поток в сторону рабочего колеса 4. Участок сопряжения 23 колена 22 трубы на рабочем колесе 4 сужается в направлении потока воздуха, направляемого через колено 22 трубы к рабочему колесу 4. Воздушный поток подводится к рабочему колесу 4 через головную часть 21 башни, расположенную на круге 24 катания. Ориентация по направлению ветра обеспечивается двигателем 25, воздействующим на круг 24 катания и управляемым в зависимости от преобладающего направления ветра датчиком 26 направления ветра. Головная часть 21 опирается на башню через подшипник 27. Для своего приведения в действие рабочее колесо 4 связано, с одной стороны, с расположенным вблизи днища башни дисковым маховиком 28 и, с другой стороны, с генератором 29. Согласно варианту выполнения генератор 29 приводится в действие плоским ремнем 30, связанным с дисковым маховиком 28. Поступающий в башню 20 воздушный поток выходит из нее вблизи днища через трубы 31. На концах труб 31 установлены регулируемые клапаны 32 для регулировки протекающего через ветросиловую установку 1 воздушного потока. В том случае, когда местность, на которую переместили ветросиловую установку согласно изобретению, имеет, по меньшей мере, с одной стороны башни 20 резкий уклон, то трубы 31 могут быть уложены вниз от днище турбины (фиг. 13) для дополнительного использования при производстве энергии вероятно преобладающей разницы между давлением воздуха на входе и его давлением на выходе. 6 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветросиловая установка для производства энергии, содержащая аксиально проточное рабочее колесо, установленное на валу с возможностью вращения и снабженное рабочими лопатками, и направляющий аппарат для ускорения протекания воздуха через рабочее колесо,отличающаяся тем, что направляющий аппарат(5) состоит из нескольких, сужающихся в направлении потока проточных каналов (6), расположенных на рабочем колесе по его венцу и распределенных вокруг вала (2), что рабочие лопатки (3) отнесены к соответствующему проточному каналу (6) и что рабочее колесо (4) содержит охватывающий его наружный кожух (7). 2. Ветросиловая установка по п.1, отличающаяся тем, что рабочие лопатки (3) расположены соответственно за проточным каналом(6). 3. Ветросиловая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что проточные каналы (6) снова расширяются в конце их сужения. 4. Ветросиловая установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что рабочие лопатки(3) выполнены поворотными. 5. Ветросиловая установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что в проточных каналах (6) расположены перед рабочими лопатками (3) направляющие перегородки (8). 6. Ветросиловая установка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рабочее колесо(4) снабжено установленным с ним соосно дисковым маховиком (28), связанным с рабочим колесом (4) разъемно с помощью муфты. 7. Ветросиловая установка по п.6, отличающаяся тем, что дисковый маховик (28) расположен в наружном кожухе (7). 8. Ветросиловая установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью мобильно использоваться на несущем транспортном средстве (9). 9. Ветросиловая установка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что на дополнительном валу за рабочим колесом (4) расположено аксиально проточное вспомогательное рабочее колесо (18). 10. Ветросиловая установка по п.9, отличающаяся тем, что вспомогательное рабочее колесо (18) содержит поворотные лопасти несущего винта. 11. Ветросиловая установка по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что рабочее колесо(4) расположено на вертикальной оси в башне(20), содержащей поворотную соосно рабочему колесу (4) головную часть (21) с коленом (22) трубы для направления горизонтального воздушного потока к рабочему колесу (4). 12. Ветросиловая установка по п.11, отличающаяся тем, что участок сопряжения (23) колена (22) трубы на рабочем колесе (4) сужается в направлении потока. 7 13. Ветросиловая установка по любому из пп.9-12, отличающаяся тем, что рабочее колесо(4) и/или вспомогательное рабочее колесо (18) связано с тормозным устройством.