АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03D3/00 F03D7/06 

Изобретение относится к аэрогидродинамическим двигателям, преобразующим энергию поступательного движения газовой или жидкой среды во вращательное движение вала привода силовой машины.

Известный аэрогидродинамический двигатель содержит вертикальный вал, связанные с валом вертикальные оси, лопасти, шарнирно установленные на осях, и взаимодействующие с лопастями упоры, ограничивающие поворот лопастей вокруг осей. При воздействии скоростного напора набегающего потока лопасти, находящиеся, например, слева от плоскости, проходящей через вал и вектор скорости набегающего потока, занимают положение, при котором испытывают наибольшее аэрогидродинамическое сопротивление (за счет упоров, ограничивающих их поворот), а лопасти, находящиеся справа от упомянутой плоскости, за счет своих флюгерных свойств встают вдоль потока, испытывая минимальное аэрогидродинамическое сопротивление, вследствие чего на валу создается момент вращения, который может быть использован для приведения в действие различных механизмов.

Недостатком описанного устройства является неравномерность создаваемого им вращательного момента, связанная с тем, что лопасти движутся по круговой траектории вокруг вала и меняют свое угловое положение по отношению к набегающему потоку и соответственно изменяют развиваемый вращательный момент по закону, близкому к синусоидальному от нуля в момент вхождения лопасти в контакт с упором, когда лопасть еще параллельна набегающему потоку, до максимума в момент, когда лопасть занимает перпендикулярное к потоку положение, и с последующим уменьшением до нуля к моменту выхода лопасти из контакта с упором и разворота на 180^о за счет своих флюгерных свойств параллельно потоку.

При наличии в аэрогидродинамическом двигателе только двух лопастей дважды за один полный оборот возникает положение неустойчивого равновесия, в котором обе лопасти располагаются строго в плоскости вала и вектора скорости набегающего потока. Выход из этого положения возможен только за счет инерции вращающихся частей двигателя или изменения направления потока. В этом положении вращательный момент равен нулю и при наличии достаточных сил трения или торможения в механизме, приводом для которого служит аэрогидродинамический двигатель, может произойти его остановка. Неравномерность вращательного момента, создаваемого двухлопастным двигателем такого типа, составляет 100% С увеличением количества лопастей положение неустойчивого равновесия исключается, а неравномерность вращательного момента изменяется по достаточно сложному закону.

Для трехлопастной конструкции, для которой можно пренебречь явлением интерференции и "затенения" смежных лопастей, легко показать путем графического сложения синусоид, характеризующих развиваемый вращательный момент, что его неравномерность составляет около 13% за один полный оборот вала.

Еще одним, хотя и менее существенным недостатком являются увеличенные габариты и масса конструкции, связанные с наличием упоров, расположенных на расстоянии, превышающем расстояние от вала до осей лопастей, следствием чего является повышенная инерционность конструкции и снижение мощности, снимаемой с единицы массы конструкции двигателя.

Целью изобретения является исключение указанных недостатков и получение более стабильного вращательного момента на валу и более высокой удельной мощности.

Это достигается тем, что аэрогидродинамический двигатель, содержащий вертикальный вал, связанные с валом вертикальные оси, лопасти, шарнирно установленные на осях, и взаимодействующие с лопастями упоры, ограничивающие поворот лопастей вокруг осей, выполнен многоярусным с размещением в каждом ярусе по меньшей мере трех лопастей, каждая лопасть выполнена аэродинамического профиля и статически уравновешена относительно центра оси вращения, смещенного в сторону передней кромки лопасти, при этом оси лопастей каждого яруса смещены по отношению к осям смежных с ним ярусов на угол, равный частному от деления угла между осями яруса на общее число ярусов, упоры смещены от центра осей вращения соответствующих лопастей к валу на величину, меньшую расстояния от передней кромки до центра вращения лопасти по хорде профиля.

На фиг. 1 представлен общий вид двухъярусного аэрогидродинамического двигателя; на фиг. 2 то же, вертикальная проекция; на фиг. 3 диаграмма вращательного момента, создаваемого двухъярусной трехлопастной конструкцией; на фиг. 4 диаграмма вращательного момента, создаваемого одноярусной двухлопастной конструкцией; на фиг. 5 аэрогидродинамический двигатель в зоне размещения упора; на фиг. 6 то же, вертикальная проекция; на фиг. 7 схема взаимодействия с набегающим потоком.

Аэрогидродинамический двигатель содержит вал 1, лопасти 2 и 2^', оси лопастей 3 и 3^' и упоры 4 и 4^'.

Вал 1 расположен вертикально к поверхности земли и перпендикулярно к вектору скорости набегающего потока V_~. Лопасти 2 и 2' имеют одинаковые размеры и выполнены в виде двух неравных по размерам и массе частей, статически уравновешенных относительно своих осей 3 и 3^'. Кроме того, как это показано на фиг. 6, расстояние А от передней кромки лопасти до центра оси вращения по хорде профиля превышает расстояние Б между осью лопасти 3 или 3^' и упором 4 или 4^'.

Упоры и оси нижнего яруса смещены относительно упоров и осей верхнего яруса на угол а, равный частному от деления угла между осями яруса b на общее число ярусов n, т.е. а b/n.

Количество лопастей в каждом ярусе одинаково и преимущественно равно трем.

Действие устройства поясняется диаграммой вращательного момента М_вр, создаваемого лопастями в функции угла поворота вала Θ, представленной на фиг. 3, на которой для простоты показана диаграмма вращательного момента, создаваемого двухъярусной трехлопастной конструкцией аэрогидродинамического двигателя за один полный оборот вала. Для сравнения на фиг. 4 дана диаграмма момента, создаваемого одноярусной двухлопастной конструкцией также за один полный оборот вала.

Как видно из фиг. 3, зависимость, характеризующая вращательный момент, создаваемый двухъярусной трехлопастной конструкцией, является результатом сложения двух полусинусоид, смещенных по фазе на угол а 120^о/2 60^о.

Результат графического сложения указанных полусинусоид дает величину неравномерности вращательного момента ΔМ_вр=(M_max M_min)/M_max} x 100% равную ≈7%
То же для двухлопастной одноярусной конструкции (см. фиг. 4), дает величину неравномерности вращательного момента, равную 100%
Таким образом, предлагаемое техническое решение аэрогидродинамического двигателя обеспечивает получение более стабильного вращательного момента на валу. Одновременно за счет деления площади лопасти при заданной величине вращательного момента или мощности, которую должен развивать аэрогидродинамический двигатель, на несколько лопастей меньшего размера, имеющих такую же суммарную площадь, а также их разнесение в несколько ярусов, позволяет уменьшить ветровую нагрузку на несущие элементы конструкции, такие как оси лопастей, упоры, вал, т.е. позволяет в целом облегчить конструкцию и повысить удельную мощность.

При воздействии набегающего потока на лопасти 2 и 2' последние начинают поворачиваться вокруг собственных осей 3 и 3', занимая положение, при котором часть лопастей, находящаяся слева от вектора скорости V_~ своими тыльными сторонами касается упоров 4 и 4', а часть лопастей, находящаяся справа от вектора V_~ встает по направлению потока. В результате таких поворотов лопастей вокруг осей аэрогидродинамическое сопротивление лопастей, расположенных слева, возрастает до максимума, в то время как сопротивление лопастей, расположенных справа от плоскости, в которой расположены вектор V_~ и вал, становится минимальным. При прохождении в процессе вращения какой-либо из лопастей, находящихся в левой части, через плоскость вектора V_~ и вала (точка В на фиг. 7), набегающий поток начинает воздействовать на эту лопасть с тыльной стороны и разворачивает ее по стрелке вокруг собственной оси на 180^о до соприкасания короткой части лопасти А с упором. По мере дальнейшего продвижения по круговой траектории рассматриваемая лопасть отходит от упора и встает по направлению потока. Этот процесс повторяется при прохождении каждой последующей лопасти через точку В. При изменении азимутального направления набегающего потока описанная конструкция действует аналогично прототипу, при этом установленное соотношение размеров А и Б исключает возможность поворота лопастей вокруг осей на 360^о и связанное с ним изменение направления вращения вала двигателя.

Описанное техническое решение позволяет упростить конструкцию, уменьшить размеры несущих частей и их пассивную массу, обеспечивая тем самым получение более высокой удельной мощности, развиваемой аэрогидродинамическим двигателем.

Использование: ветроэнергетика, в частности в ветроэнергетических агрегатах с вертикальной осью вращения. Сущность изобретения: двигатель выполнен многоярусным с размещением в каждом ярусе по меньшей мере трех вертикальных лопастей, установленных шарнирно на осях. Каждая лопасть выполнена аэродинамического профиля, статически уравновешена относительно центра оси вращения, смещенного в сторону передней кромки лопасти. Оси лопастей каждого яруса смещены по отношению к осям смежных с ним ярусов. Взаимодействующие с лопастями упоры смещены от центра осей вращения соответствующих лопастей к валу на величину, меньшую расстояния от передней кромки до центра вращения лопасти по хорде профиля. 7 ил.

АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий вертикальный вал, связанные с валом вертикальные оси, лопасти, шарнирно установленные на осях, и взаимодействующие с лопастями упоры, ограничивающие поворот лопастей вокруг осей, отличающийся тем, что двигатель выполнен многоярусным с размещением в каждом ярусе по меньшей мере трех лопастей, каждая лопасть выполнена аэродинамического профиля и статически уравновешена относительно центра оси вращения, смещенного в сторону передней кромки лопасти, при этом оси лопастей каждого яруса смещены по отношению к осям смежных с ним ярусов на угол, равный частному от деления угла между осями яруса на общее число ярусов, упоры смещены от центра осей вращения соответствующих лопастей к валу на величину, меньшую расстояния от передней кромки до центра вращения лопасти по хорде профиля.