устройство для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков

Формула изобретения

Устройство для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков, содержащее вертикальный корпус из легковесного прочного материала, внутри которого выполнен вертикальный канал переменного поперечного сечения наибольшей величиной в нижнем основании, являющийся воздухозаборником, отличающееся тем, что вертикальный корпус образован верхней и нижней сужающимися поверхностями вогнуто-выпуклого или двояковыпуклого аэродинамического профиля, соединенными в наиболее узком месте посредством открытой рабочей камеры, в которой установлен ветродвигатель, связанный с вращающимся валом, размещенным внутри нижней поверхности корпуса, при этом верхней и нижней сужающимися поверхностями и открытой рабочей камерой образован профилированный горизонтальный канал, размещенный перпендикулярно вертикальному каналу, а вертикальный и горизонтальный каналы выполнены с образованием в наиболее узких областях сопел, направляющих естественные конвекционные воздушные потоки, соответственно вертикальный и горизонтальный, в рабочую камеру с увеличенной скоростью течения, причем перед соплами, образованными в вертикальном и горизонтальном профилированных каналах, закреплены введенные в устройство профилированные спрямляющие решетки, выравнивающие поле скоростей воздушных потоков, и в воздухозаборнике установлены профилированные направляющие лопатки, уменьшающие потери энергии вертикального воздушного потока в результате предотвращения появления воздушных вихрей в вертикальном канале.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков земной атмосферы и может найти применение в ветроэнергетике.

Известна аэродинамическая труба, содержащая горизонтальную открытую расширяющуюся рабочую камеру, образующую профилированный горизонтальный канал круглого, прямоугольного или многоугольного поперечного сечения. Перед рабочей камерой размещено сопло, создающее воздушный поток с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью, при работе компрессора или насоса (Большая советская энциклопедия / Гл. ред. A.M.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1970. - Т.2. - С.479-481, рис.26).

Недостатками аэродинамической трубы являются отсутствие ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков, необходимость вынужденного создания воздушного потока при помощи насоса или компрессора и отсутствие возможности преобразования кинетической энергии конвекционного воздушного потока в кинетическую энергию вращательного движения, преимущественно вала ветродвигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является башенная градирня, содержащая вертикальный корпус из легковесного прочного материала, внутри которого выполнен вертикальный канал переменного поперечного сечения наибольшей величиной в нижнем основании, являющийся воздухозаборником. В вертикальном канале возникает тяга атмосферного воздуха. В нижнем основании корпуса установлен резервуар с патрубками подвода и отвода воды, связанный с оросителем (Большая советская энциклопедия / Гл. ред. A.M.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1970. - Т.7. - С.208, рис.6).

Основным недостатком этого устройства являются отсутствие возможности получения ламинарного режима течения воздушного потока заданного направления с постоянной и наибольшей по сечению потока скоростью вследствие возникновения беспорядочного характера течения воздушного потока при расходовании кинетической энергии атмосферного воздуха, текущего в вертикальном канале, на интенсивное вихреобразование и перемешивание воздуха, что приводит к уменьшению скорости течения воздушного потока; отсутствие возможности преобразования кинетической энергии поступательного движения воздушного потока в кинетическую энергию вращательного движения, преимущественно вала ветродвигателя, не предусмотренной введением дополнительных элементов в конструкцию градирни.

Задачей изобретения является обеспечение получения ламинарного режима течения воздушного потока заданного направления с постоянной и наибольшей по сечению потока скоростью путем исключения беспорядочного характера течения естественного конвекционного воздушного потока и преобразование кинетической энергии поступательного движения воздушного потока в кинетическую энергию вращательного движения вала ветродвигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков, содержащем вертикальный корпус из легковесного прочного материала, внутри которого выполнен вертикальный канал переменного поперечного сечения наибольшей величиной в нижнем основании, являющийся воздухозаборником, согласно изобретению вертикальный корпус образован верхней и нижней сужающимися поверхностями вогнуто-выпуклого или двояковыпуклого аэродинамического профиля, соединенными в наиболее узком месте посредством открытой рабочей камеры, в которой установлен ветродвигатель, связанный с вращающимся валом, размещенным внутри нижней поверхности корпуса. При этом верхней и нижней сужающимися поверхностями и открытой рабочей камерой образован профилированный горизонтальный канал, размещенный перпендикулярно вертикальному каналу, а вертикальный и горизонтальный каналы выполнены с образованием в наиболее узких областях сопел, направляющих естественные конвекционные воздушные потоки, соответственно вертикальный и горизонтальный, в рабочую камеру с увеличенной скоростью течения. Перед соплами, образованными в вертикальном и горизонтальном профилированных каналах, закреплены введенные в устройство профилированные спрямляющие решетки, выравнивающие поле скоростей воздушных потоков, и в воздухозаборнике установлены профилированные направляющие лопатки, уменьшающие потери энергии вертикального воздушного потока в результате предотвращения появления воздушных вихрей в вертикальном канале.

Получение ламинарного режима течения воздушного потока заданного направления с постоянной и наибольшей по сечению потока скоростью и преобразование кинетической энергии поступательного движения воздушного потока в кинетическую энергию вращательного движения вала ветродвигателя осуществляются путем выполнения вертикального и горизонтального каналов с образованием в наиболее узких областях сопел, направляющих естественные конвекционные воздушные потоки в открытую рабочую камеру, в которой установлен ветродвигатель.

Предложенное изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков, корпус которого образован сужающимися поверхностями вогнуто-выпуклого аэродинамического профиля, на фиг.2 - то же устройство с корпусом, образованным сужающимися поверхностями двояковыпуклого аэродинамического профиля.

Устройство для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков содержит вертикальный корпус из легковесного прочного материала, образованный нижней 1 и верхней 2 сужающимися поверхностями вогнуто-выпуклого аэродинамического профиля (фиг.1) или двояковыпуклого аэродинамического профиля (фиг.2). Внутри корпуса выполнен вертикальный канал 3 переменного поперечного сечения наибольшей величиной в нижнем основании, являющийся воздухозаборником 4. Верхняя 2 и нижняя 1 поверхности корпуса соединены в наиболее узком месте посредством открытой рабочей камеры 5, в которой установлен ветродвигатель 6, соединенный с вращающимся валом 7, размещенным внутри нижней 1 поверхности корпуса. Верхней 2 и нижней 1 сужающимися поверхностями и открытой рабочей камерой 5 образован профилированный горизонтальный канал 8, размещенный перпендикулярно вертикальному каналу 3. Вертикальный канал 3 и горизонтальный канал 8 выполнены с образованием в наиболее узких областях вертикального сопла 9 и горизонтального сопла 10, направляющих естественные конвекционные воздушные потоки, соответственно вертикальный и горизонтальный воздушные потоки, в рабочую камеру 5 с наибольшей скоростью течения. Введенные в устройство перед горизонтальным соплом 10, образованным в горизонтальном канале 8, вертикальные профилированные опоры 11, соединяющие верхнюю 2 профилированную поверхность корпуса с нижней 1 профилированной поверхностью корпуса, и горизонтальные профили 12 создают профилированную спрямляющую решетку, выравнивающую поле скоростей в горизонтальном воздушном потоке. Перед вертикальным соплом 9, образованным вертикальным профилированным каналом 3, закреплена профилированная спрямляющая решетка 13, выравнивающая поле скоростей в вертикальном воздушном потоке. В воздухозаборнике 4 установлены профилированные направляющие лопатки 14, уменьшающие потери энергии вертикального воздушного потока, предотвращая появление воздушных вихрей в вертикальном канале 3.

Нижняя 1 поверхность корпуса горизонтальными профилированными растяжками 15, 16 прикреплена к вертикальной несущей профилированной опоре 17, внутри которой укреплены подшипниковые узлы 18 для установки вала 7, предназначенного для отбора мощности.

Устройство для увеличения скорости ламинарного течения естественных конвекционных воздушных потоков работает следующим образом.

В земной атмосфере непрерывно существует естественная конвекция воздушных потоков, обуславливающая вертикальные перемещения объемов воздуха с одних высот на другие под действием архимедовой силы: воздух более нагретый (теплый) и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, то есть возникает восходящий вертикальный поток воздуха, а воздух менее нагретый (холодный) и более плотный - вниз, то есть возникает нисходящий вертикальный поток воздуха.

Восходящий вертикальный поток воздуха с начальной скоростью попадает в воздухозаборник 4 и протекает вдоль профилированных направляющих лопаток 14, уменьшающих потери энергии вертикального воздушного потока в результате предотвращения появления воздушных вихрей в вертикальном канале 3. В вертикальном канале 3 происходит непрерывное увеличение скорости течения воздушного потока в направлении течения от начального значения скорости во входном поперечном сечении канала 3 до наибольшей скорости при протекании по вертикальному каналу 3 с наименьшей площадью сечения сопла 9. Из закона сохранения энергии (Большая советская энциклопедия / Гл. ред. A.M.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1976. - Т.24. - С.185-186) следует, что одновременно с ростом скорости течения воздушного потока вертикальном канале 3 происходит непрерывное падение давления и температуры от их начальных значений до значений, меньших атмосферного, как в вертикальном сопле 9, так и в открытой рабочей камере 5. Таким образом, для реализации течения воздушного вертикального потока в вертикальное сопло 9 необходим некоторый перепад давления, то есть давление в вертикальном воздушном потоке в воздухозаборнике 4 больше давления в воздушном потоке, протекающем через вертикальное сопло 9. При увеличении температуры вертикального воздушного потока в воздухозаборнике 4 скорость течения воздушного потока через поперечное сечение сопла 9 возрастает в связи с ростом начальной потенциальной энергии вертикального воздушного потока. Если скорость течения воздушного потока невелика, малы и соответствующие изменения давления и температуры в сопле 9, поэтому свойство сжимаемости, то есть способности воздуха изменять свой объем под действием перепада давления или изменения температуры, еще не проявляется, и изменением плотности вертикального воздушного потока в направлении течения можно пренебречь, считая ее постоянной. В этих условиях для непрерывного увеличения скорости восходящего воздушного потока вертикальный профилированный канал 3 должен иметь сужающуюся форму, что следует из уравнения неразрывности потока: произведение скорости течения несжимаемого воздушного потока на поперечное сечение канала 3 есть величина постоянная для данного поперечного сечения вертикального канала 3, то есть площадь поперечного сечения профилированного вертикального канала 3 должна уменьшаться обратно пропорционально росту скорости вертикального воздушного потока (Большая советская энциклопедия / Гл. ред. A.M.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1976. - Т.24. - С.185-186).

Восходящий воздушный поток, протекая через профилированную спрямляющую решетку 13, выравнивает поле скоростей и, вытекая из сопла 9 в открытую рабочую камеру 5, имеет наибольшую скорость течения.

В связи с тем что в открытой рабочей камере 5 устанавливается давление меньше атмосферного, воздух из-за перепада давлений начинает перемещаться по профилированному горизонтальному каналу 8, и, протекая через горизонтальную профилированную решетку, образованную вертикальными профилированными опорами 11 и горизонтальными профилями 12, выравнивает поле скоростей в горизонтальном воздушном потоке, который из профилированного горизонтального канала 8 движется через горизонтальное сопло 10 с наибольшей горизонтальной скоростью в открытую рабочую камеру 5.

Таким образом, горизонтальный и восходящий вертикальный воздушные потоки текут в открытой рабочей камере 5 с максимальными скоростями, соответственно одновременно воздействуя на ветродвигатель 6, который преобразует кинетическую энергию поступательного движения воздушных потоков в кинетическую энергию вращательного движения вала 7, соединенного с ветродвигателем 6. При этом обеспечивается ламинарный режим течения воздушного потока заданного направления с постоянной и наибольшей по сечению потока скоростью путем исключения беспорядочного характера течения естественного конвекционного воздушного потока.