РОТОР ТИПА САВОНИУСА С ПОЛЫМИ ЛОПАСТЯМИ Российский патент 1998 года по МПК F03D3/06 F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторов типа ротора Савониуса, применяемых в ветро- и гидродвигателях,и позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра (течения воды) и мощность ротора.

Известен ротор Савониуса, содержащий две полые полуцилиндрические лопасти с образующими, параллельными оси вращения роторами и торцевые диски (авт. св. СССР 7167, МПК F 03 D 3/00, 1928-прототип). Недостатки прототипа: сравнительно небольшой коэффициент использования энергии ветра и малая мощность ротора заданных габаритов.

Для повышения коэффициента использования энергии потока и мощности ротора в существующем роторе Савониуса, содержащем две полые полуцилиндрические лопасти с образующими, параллельными оси вращения ротора, торцевые диски, каждая лопасть снабжена продольным щелевым конфузором на вогнутой части и прорезями на продольных торцах для выхода воздуха, при этом плоскость, проходящая через ось вращения,совпадает с поверхностью удаленного от оси торца лопасти,а для ближайшего торца вертикальная плоскость, проведенная перпендикулярно торцу, проходит посредине прорези этой лопасти и щелевого конфузора другой лопасти, причем прорези выполнены перпендикулярно поверхности торцов лопастей.

Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что каждая лопасть имеет входной продольный конфузор на вогнутой части лопасти и прорези на продольных торцах лопасти для выхода воздуха;плоскость, проходящая через ось вращения ротора, совпадает с поверхностью удаленного от оси торца лопасти; вертикальная плоскость, проведенная перпендикулярно торцу лопасти, ближайшему к оси вращения, проходит посредине прорези этой лопасти и щелевого конфузора другой лопасти. Прорези на торцах выполнены перпендикулярно поверхностям торцов лопастей.

Предлагаемое устройство имеет элементы существенной новизны.

Из близких аналогов рассмотрим (авт.св. СССР 1270407, F 03 D 1/06,1986).

Его конструктивные отличия:
у аналога для выхода воздуха предусмотрены отверстия на одном конце лопасти, в заявленном устройстве для этой же цели выполнены прорези на обоих продольных торцах лопасти;
у аналога входной конфузор выполнен отдельно от лопастей, в заявке каждая лопасть имеет свой конфузор. Различна форма конфузоров: круглая торообразная форма у аналога и щелевая в заявке;
у аналога отверстия для выхода воздуха расположены к оси конфузора под острым углом, вершина которого расположена со стороны, противоположной конфузору, в заявке прорезь размещена перпендикулярно торцевой поверхности и плоскости, проходящей через ось вращения ротора и торцевую поверхность для удаленного от оси торца лопасти. Для ближайшего к оси вращения торца лопасти прорезь направлена на середину конфузора другой лопасти.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение предлагаемого ротора. Ротор содержит полые полуцилиндрические лопасти 1, торцевые диски 2, входные продольные щелевые конфузоры 3 и прорези 4 на продольных торцах лопасти 5.

Ротор работает следующим образом. Набегающий на лопасть 1 поток раздваивается, часть его поступает в конфузор 3, другая воздействует на вогнутую обшивку лопасти, создавая крутящий момент. По мере движения воздуха в полостях к выходным прорезям 4 на продольных торцах 5 скорость потока увеличивается. Этому способствуют сужение поперечного сечения лопасти к торцам и центробежные силы при вращении ротора. На выходе из прорезей создаются реактивные силы и моменты относительно оси ротора. Поток воздуха из прорезей торца, ближайшего к оси вращения, направляется в конфузор другой лопасти, что увеличивает крутящий момент главным образом за счет повышения давления в тыльной части лопасти, идущей навстречу потоку.

Сделаем оценку эффективности заявляемого ротора. Силы воздействия потока на вогнутую и выпуклую стороны полуцилиндрической лопасти в виде точного полуцилиндра равны

ρ и V₀ плотность и скорость потока;
S₀ диаметральная плоскость лопасти.

Крутящий момент для плеча l 0,4, где r₀ радиус ротора, равен

Здесь M_o = ρS_ov_o масса набегающего на ротор потока в 1 с.

Из уравнения момента количества движения
M_кv_к-(M_дv_дcosα+M_бv_бcosβ)+P_вых=0 (2)
найдем усилие P_пов,х приходящееся на стенки внутри лопасти.

Здесь М_к и V_к масса потока, поступившая в конфузор, и скорость потока на выходе из конфузора;
М_д и V_д масса потока,выходящего из дальней прорези, и его скорость:
М_б и V_б то же для ближней прорези.

Примем, что фактическая величина усилия P_пов,х пропорциональна относительной ширине выходной части конфузора. В районе двойной обшивки равнодействующую поверхностных сил примем равной нулю.

Тогда крутящий момент на лопасти ротора составит (фиг. 2):

Пусть cosα ≈ 1, cosβ ≈ 0,7 тогда получим

Примем, что 1/2 часть потока поступает в симметричный конфузор, где ускоряется до скорости V_к 2V₀, a скорость выхода струи из прорези равна V_д V_б 4V₀. Крутящий момент (4) при этом будет

Т. о. для данного частного случая величина наибольшего крутящего момента ротора в 4,8 раз превышает таковой для прототипа. Здесь не учтена подача воздуха в тыльную часть лопастей из ближней к ним прорези, что позволит уменьшить разность давлений на лопасть с двух сторон и тем самым уменьшить сопротивление лопасти при вращении и увеличить крутящий момент.

При повороте лопасти из положения, показанного на фиг. 2, поток воздуха из удаленной прорези будет выполнять роль стенки струйного конфузора, увеличивая объем воздуха, поступающего на вогнутую сторону лопасти.

Устройство простое в изготовлении при высокой эффективности. Промышленно применимо.

Использование: изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторов типа ротора Савониуса, применяемых в ветро- и гидродвигателях. Сущность изобретения: ротор содержит две полые полуцилиндрические лопасти с образующими, параллельными оси вращения ротора и торцевые диски. Каждая лопасть снабжена входным продольным щелевым конфузором на вогнутой части и прорезями на продольных торцах для выхода воздуха, при этом плоскость, проходящая через ось вращения ротора, совпадает с поверхностью удаленного от оси торца лопасти, а для ближайшего торца вертикальная плоскость,проведенная перпендикулярно торцу, проходит посредине прорези этой лопасти и щелевого конфузора другой лопасти, причем прорези выполнены перпендикулярно поверхности торцов лопастей. 2 ил.

Ротор типа Савониуса с полыми лопастями, содержащий две полые полуцилиндрические лопасти с образующими, параллельными оси вращения ротора, и торцевые диски, отличающийся тем, что каждая лопасть снабжена входным продольным щелевым конфузором на вогнутой части и прорезями на продольных торцах для выхода воздуха, при этом плоскость, проходящая через ось вращения ротора, совпадает с поверхностью удаленного от оси торца лопасти, а для ближайшего торца вертикальная плоскость, проведенная перпендикулярно к торцу, проходит посредине прорези этой лопасти и щелевого конфузора другой лопасти, причем прорези выполнены перпендикулярно к поверхности торцов лопастей.