АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ СТЕПАНОВА Российский патент 1994 года по МПК F03D3/06 F03B7/00 F03B17/06 

Изобретение относится к аэрогидродинамическим двигателям, преобразующим энергию поступательного движения газовой или жидкой среды, например, ветра или течения воды, во вращательное движение вала привода силовых машин, таких как генератор электрического тока, гребной винт корабля, насос, подъемный механизм и т.п.

К таким двигателям относятся, например, водяные колеса по патентам Дании N 156843, 1981, Швеции N 8601770, 1986, ветродвигатели по патентам Голландии N 7901145, 1979, Швеции N 434975, 1974, Австрии N 382687, 1976, ЕРВ N 0 00850, 1980, авт.св. СССР N 1377448, 1988 и др. аналогам.

Указанные аэрогидродинамические двигатели содержат вращающийся орган - ротор, несущий элементы, взаимодействующие с набегающим потоком, и ось вращения, связанную с валом привода силовой машины.

Основным элементом этих двигателей, взаимодействующим с набегающим потоком, являются лопасти или лопатки, выполненные в виде плоских или профилированных пластин, равномерно и симметрично расположенных на роторе и жестко или шарнирно связанных с осью вращения. При этом ось вращения может совпадать с направлением потока (например у ветродвигателей по кл. F 03 D 1/00), или располагаться перпендикулярно к направлению потока (например у ветродвигателей с вертикальной осью вращения по кл. F 03 D 3/00).

У двигателей по кл. F 03 D 1/00 лопасти располагаются перпендикулярно к оси вращения, а их боковые поверхности повернуты под углом к вектору скорости набегающего потока. Для поворота оси вращения по потоку при перемене его направления такие двигатели снабжаются флюгерными устройствами.

У двигателей по кл. F 03 D 3/00 лопасти располагаются вдоль оси вращения, и их боковые поверхности перпендикулярны к направлению потока, при этом либо часть лопастой изолирована от воздействия потока, например, кожухом, либо лопасти снабжены неподвижными заслонками, створками и т.п. для соответствующего изменения направления потока, либо лопасти выполнены в виде "полупрозрачных" жалюзи, открывающихся в одном направлении.

Известен также двигатель по патенту Франции N 8019387, 1980 - прототип, имеющий вертикальную ось вращения, перпендикулярную к вектору скорости набегающего потока, лопасти, симметрично расположенные вокруг оси вращения и шарнирно установленные она осях, параллельных оси вращения, и упоры, ограничивающие угол поворота лопастей вокруг собственных осей.

К недостаткам аналогов и прототипа относятся: низкое соотношение производимой мощности и пассивной массы конструкции, обусловленное, в частности, необходимостью размещать ось вращения на расстоянии от окружающих объектов, превышающем радиус обметания (размах) лопастей, наличием несущих элементов конструкции для соответствующего размещения оси вращения, наличием устройства для отслеживания осью вращения направления потока, например, флюгера для ветродвигателей, кожуха для изолирования части лопастей от воздействия набегающего потока, створок для направления потока на лопасти и т.п.; наличие "мертвых" зон при изменении направления потока, например, при мгновенной перемене направления ветра, когда в силу инерционности конструкции флюгерное устройство не успевает развернуть ось вращения по потоку и лопасти перестают создавать вращательный момент; относительно низкая величина вращательного момента, создаваемого лопастью, повернутой под углом к набегающему потоку, наличие аэродинамического тормозящего момента при движении части лопастей навстречу набегающему потоку.

В частности, недостатком прототипа, как показывает анализ его кинематической схемы, является то, что при повороте оси вращения и лопастей вокруг собственных осей под действием набегающего потока всегда возникает такое взаимное положение лопастей относительно направления потока, при котором вращательный аэродинамический момент уравновешивается тормозящим аэродинамическим моментом, даже если двигатель выполнен в виде системы с несколькими осями вращения, связанными трансмиссией, и со смещенными на некоторой угол начальными положениями лопастей каждой отдельной оси вращения.

Целью изобретения является получение более высокой мощности, снимаемой с единицы массы конструкции двигателя и площади лопастей, и исключения "мертвых" зон при смене азимутального направления потока, воздействующего на лопасти.

Указанная цель достигается тем, что, в аэрoгидродинамическом двигателе, имеющем вертикальную ось вращения, перпендикулярную к вектору скорости набегающего потока, лопасти, симметрично расположенные вокруг оси вращения и шарнирно установленные на осях, параллельных оси вращения, и упоры, скрепленные с осью вращения и ограничивающие угол поворота лопастей вокруг собственных осей, упоры размещены попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и ось вращения, а каждая лопасть выполнена в виде двух неравных по размерам и массе частей, разграниченных плоскостью, перпендикулярной к боковой поверхности лопасти и проходящей через ее ось, причем, сумма статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси выполнена стремящейся к нулю, и большая по размерам часть лопасти расположена между осью лопасти и осью вращения, а большая по массе часть лопасти расположена между осью лопасти и упором, наиболее удаленном от оси вращения.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен аэрогидродинамический двигатель, общий вид; на фиг. 2 - его вертикальная проекция; на фиг. 3 - поперечное сечение лопасти; на фиг. 4 - схема взаимодействия аэрогидродинамического двигателя с набегающим потоком; на фиг. 5-8 и 9 - схема взаимодействия лопасти как физического тела, имеющего массу, с набегающим потоком в различных фазах ее движения вокруг оси вращения и поворота вокруг собственной оси; на фиг. 10 и 11 - расчетные схемы предлагаемого технического решения и ветродвигателя по МКИ F 03 D 1/00 с осью, ориентированной по потоку.

Аэрогидродинамический двигатель (фиг. 1 и 2) имеет ось вращения 1, лопасти 2, оси лопастей 3, шарниры 4, упоры 5 и 6. Ось вращения 1 расположена вертикально к поверхности Земли и перпендикулярно к вектору скорости набегающего потока. Лопасть 2 имеет обтекаемый симметричный профиль (фиг. 3), составленный из двух неравных по размерам и массе частей 2 и 2 , разграниченных плоскостью А-А, перпендикулярной к боковой поверхности лопасти и проходящей через ее ось 3. Сумма статических моментов указанных частей лопасти 2 относительно ее оси 3 выполнена стремящейся к нулю. Большая по размерам часть лопасти 2 расположена между осью 3 и осью вращения 1. Меньшая по размерам часть лопасти 2 расположена между осью 3 и упором 6 и имеет большую массу по сравнению с частью 2 . Для этого указанные части лопасти могут быть выполнены из материалов различной плотности, например, часть 2 - из металла, а часть 2 - из пластмассы или полой. Лопасти 2 установлены на шарнирах 4 на осях 3. Оси 3 жестко скреплены с осью вращения 1, параллельны ей и равномерно расположены на одинаковых расстояниях от нее. В плоскостях, проходящих через оси 3 и ось вращения 1 на элементах крепления осей 3 с осью вращения 1 помещены упоры 5 и 6, ограничивающие поворот лопастей 2 вокруг осей 3 углом ≈180^о. Ось вращения 1 связана одним из известных в технике способов, например, через муфту, редуктор и т.п., с валом привода силовой машины, например, генератором электрического тока, гребным винтом корабля т.п.

Действие устройства поясняется схемой (фиг. 4). Встречаясь с поверхностями лопастей 2, набегающий поток, обозначенный стрелкой со значком и имеющий произвольное направление, за счет создаваемого скоростного напора поворачивает лопасти 2 вокруг осей 3. При этом часть лопастей 2, находящаяся справа от плоскости, в которой находятся ось вращения 1 и вектор скорости набегающего потока, разворачивается на шарнирах 4 вокруг осей 3 по направлению потока, а часть лопастей 2, находящаяся слева от упомянутой плоскости, разворачивается до касания тыльной стороной с упором 5.

Вследствие таких поворотов лопасти 2, находящиеся справа от оси вращения 1 занимают по отношению к набегающему потоку положение, в котором их аэро- или гидродинамическое сопротивление становится минимальным, а лопасти 2, находящиеся слева от оси вращения 1 занимают положение, в котором их сопротивление возрастает до максимума. В результате этого возникает вращательный момент, приложенный к оси вращения 1 и последняя приобретает угловую скорость ω .

В тот момент, когда одна из лопастей 2 вместе со своей осью 3 проходит плоскость, образованную осью вращения 1 и вектором скорости набегающего потока V_" " (точка В на (фиг. 4, 7 и 8), поток начинает воздействовать на эту лопасть с тыльной стороны и поворачивает эту лопасть вокруг собственной оси 3, вследствие чего лопасть разворачивается на ≈180^о, встает вдоль потока и начинает испытывать минимальное аэро- или гидродинамическое сопротивление. Этот процесс повторяется при прохождении каждой последующей лопасти 2 через точку Б. Таким образом обеспечивается постоянство направления вращения оси 1.

Из схемы, представленной на фиг. 4, видно, что смена направления потока на углы + 90 и более градусов приводит к соответствующему повороту лопастей вокруг своих осей, оставляя направление вращения оси 1 неизменным. Так, при направлении потока по вектору скорости V_" " ′ (фиг. 4) фронтальные к потоку лопасти будут поворачиваться вокруг своих осей по направлению потока, при этом левая лопасть повернется до контакта с соответствующим упором 5, а лопасть, находящаяся с тыльной стороны от вектора V_" " ′ отойдет от упора 5 и развернется на своей оси 3 по направлению потока.

Подобным же образом система будет функционировать и при направлении вектора скорости V_" " ′ (фиг. 4).

Упор 6 служит для исключения случайного поворота лопастей 2 вокруг осей 3 на 360^о, т. к. это могло бы вызвать смену направления вращения оси 1, недопустимую или нежелательную для определенных механизмов и машин, в которых может быть использован предлагаемый аэрогидродинамический двигатель.

Описанное устройство лопасти 2, состоящей из двух неравных частей 2 и 2 , обеспечивает возможность использования технического решения не только в условиях воздействия низкоскоростных потоков газа или жидкости, но также и в условиях обдува набегающим потоком воздуха со скоростями ≈ 50 м/с, при которых существенно возрастает влияние на кинематику устройства центробежных сил, действующих на лопасти.

Так, из представленных на фиг. 5-8 и 9 изображениях различных фаз движения лопасти 2 вокруг оси 1 видно, что в любой точке траектории на лопасть помимо аэро- или гидродинамической силы F_a действуют центробежные силы, создающие опрокидывающий М_о и восстанавливающий М_вмоменты относительно оси лопасти 3, пропорциональные массам q₁ и q₂частей лопасти.

Не усложняя математические выражения учетом угловых положений лопасти в пространстве, для указанных моментов можно записать
М_в ≃ q₁˙(r+ l₁) ˙ ω²˙ l₁
M_o ≃ q₂˙(r-l₂) ˙ ω²˙ l₂ где q₁ и q₂ - масса частей 2 и 2 лопасти;
l₁ и l₂ - расстояния от оси лопасти до соответствующих центров масс;
r - радиус вращения (расстояние от оси 1 до оси 3);
ω- угловая скорость оси вращения 1;
Ввиду того, что r>l₁, l₂ можно записать:
M_в ≃ q₁˙r˙ω²˙l₁
M_o ≃ q₂˙r˙ω²˙l₂
Для лопасти, выполненной в соответствии с формулой изобретения, направления действия моментов М_в и М_о будут, как это показано на фиг. 5-9, встречными, взаимно уравновешивающими, обеспечивая тем самым выполнение условия "управляемости" лопасти набегающим потоком:
M_в-M_o= q₁˙r˙ω²˙l₁-q₂·r·ω²˙l₂ = r˙ω²˙(q_1˙l₁-q₂˙l₂) -> 0; т.к. согласно формуле изобретения сумма моментов частей лопасти относительно ее оси выполнена стремящейся к нулю.

Таким образом из приведенного описания принципа действия предлагаемого аэрогидродинамического двигателя следует, что при воздействии на его лопасти набегающего потока произвольного направления, ось вращения приобретает угловую скорость постоянного направления. При этом направление вращения зависит только от взаимного расположения лопасти и стопоров.

В связи с недостатком прототипа приближенная оценка технического эффекта, создаваемого техническим решением, схематично изображенном на фиг. 10, проведена в сравнении с ветродвигателем с осью вращения, направленной по потоку и с лопастями, повернутыми под углом к набегающему потоку, схематично изображенным на фиг. 11.

Сравниваемые конструкции состоят из двух лопастей, имеющих одинаковые размеры, толщину и размах.

Исходные данные для оценки: длина лопасти Н 1,0 м; ширина лопасти В 0,25; толщина лопасти δ 0,05 м; размах лопастей 2R 2,0 м; боковая площадь лопасти S_бок Н х В=0,25 м²; поперечная площадь лопасти S_п Н х δ =0,05 м²; положение центра давления принято в центре боковой поверхности лопасти; скорость набегающего потока V_" " =10 м/с; плотность воздуха ρ =0,125 кг с²/м⁴.

Аэродинамические коэффициенты: C_x1= 0,04 - для пластины, параллельной потоку; C_x2= 1,15 - для пластины, перпендикулярной к потоку; С_у = 0,66 - для пластины, повернутой под 45^о к потоку.

Для технического решения (фиг. 10) получены следующие расчетные значения вращающей F_а и тормозящей F_т аэродинамических сил, вращательного М_вр и тормозящего М_т аэродинамических моментов, угловой скорости центра лопасти ω и мощности на валу привода N:
F_a= C · S_бок= 1,15 · 0,25 = 1,797 кг;
F_т= C · S_п = 0,04 · 0,05 = 1,012 кг;
M_вр= F_a(R- ) = 1,7971 - = 1,572 кгм;
M_т= F_т·R = 0,012·1 = 0,012 кгм;
ΣМ=М_вр-М_т=1,572-0,012=1,56 кгм.

Для лопасти (фиг. 10) можно принять, что она движется со скоростью набегающего потока, т.е. V_окр=V_" " , отсюда угловая скорость оси вращения двигателя:
ω = = = 11,43 1/c .

Мощность на валу привода:
N= ΣM˙ ω =1,56˙ 11,43=17,83 кгм/с.

Для ветродвигателя (фиг. 11) получены следующие значения аэродинамической силы F_а, вращательного аэродинамического момента М_в, угловой скорости центра лопасти ω и мощности на валу привода N:
F_a= n·C_y· · S_бок= 2· 0,66 · 0,25 = 2,06 кг;
(n=2, т.к. работает пара симметрично расположенных лопастей).

Вращательный аэродинамический момент, создаваемый парой лопастей (фиг. 11):
М_вр=F_a ˙0,5 ˙Н=2,06˙ 0,5˙ 1,0=1,03 кгм.

Угловая скорость центра лопасти:
ω = = = = 10 1/c ( α = 45^о)
Мощность на валу привода:
N=M_вр˙ ω =1,03 ˙10=10,3 кгм/с.

Таким образом, сравнительная оценка предлагаемого технического решения и ветродвигателя (фиг. 11) показывает, что аэрогидродинамический двигатель, выполненный по изобретению, обеспечивает по сравнению с известным ветродвигателем получение более высоких значений вращательного момента (на ≈ 50%), угловой скорости (на ≈ 14%), и удельной мощности (на ≈ 75%) при одинаковых размерах лопастей и параметрах набегающего потока.

По техническому решению разработана действующая модель двигателя, испытания которой подтвердили возможность получения технического эффекта, указанного в формуле изобретения.

Двигатель может быть использован как в ветро-, так и в гидроэнергетике, в частности в бесплотинных речных ГЭС, в ГЭС, использующих энергию волн, для морских и речных судов с "жесткими" парусами, причем для последних такой двигатель создает возможность двигаться в любых направлениях независимо от направления ветра, для плавучих маяков и бакенов в качестве автономного источника энергии. Еще одним положительным качеством двигателя является возможность производить электроэнергию в местах, где она потребляется, т.е. сокращается потребность в линиях электропередач и уменьшаются потери энергии на сопротивление.

Следует также отметить экологическую чистоту двигателя, отсутствие отходов при его работе, использование им практически "вечных" источников энергии. Так, использование с помощью двигателя только 1% энергии ветра, которая оценивается для территории СССР в 1 млн. мегаватт в год, эквивалентно мощности 13 Красноярских ГЭС.

Использование: в энергетическом машиностроении, в частности, в двигателях, преобразующих энергию потока газовой или жидкой среды во вращательное движение вала привода силовой машины. Сущность изобретения: двигатель содержит вертикальный вал вращения, лопасти, симметрично расположенные вокруг вала вращения, и упоры, скрепленные с последним и ограничивающие угол поворота лопастей вокруг осей, причем каждая лопасть выполнена в виде двух неравных по размерам частей, разграниченных плоскостью, перпендикулярной к боковой поверхности и проходящей через ее ось, упоры размещены попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и вал вращения, при этом каждая из частей лопасти выполнена с различной массой с обеспечением равенства статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси, а большая по размерам часть лопасти выполнена более легкой и расположена между осью лопасти и валом вращения. 11 ил.

Аэрогидродинамический двигатель, содержащий вертикальный вал вращения, лопасти, симметрично расположенные вокруг вала вращения и шарнирно установленные на осях, параллельных валу вращения, и упоры, скрепленные с последним и ограничивающие угол поворота лопастей вокруг осей, причем каждая лопасть выполнена в виде двух неравных по размерам частей, разграниченных плоскостью, перпендикулярной к боковой поверхности лопасти и проходящей через ее ось, отличающийся тем, что с целью увеличения мощности и повышения надежности работы путем исключения "мертвых зон" при смене направления потока, упоры размещены попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и вал вращения, при этом каждая из частей лопасти выполнена с различной массой с обеспечением равенства статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси, а большая по размерам часть лопасти выполнена более легкой и расположена между осью лопасти и валом вращения.