СПИРАЛЬНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ РОТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F03D3/00 

Область техники
Изобретение относится к спиральному воздушному ротору, содержащему по меньшей мере две лопасти, которые имеют по существу одинаковую форму и кривизну в поперечном сечении и расположены параллельно оси вращения, так что лопасти расположены наиболее подходящим образом с равными промежутками относительно угла поворота цилиндрической системы координат. Для того чтобы обеспечить спиральную форму воздушного ротора, поперечные сечения лопастей расположены так, что они поворачиваются в продольном направлении ротора.

Уровень техники
Обычный ротор описанного типа, так называемый ротор Савониуса, на который выдан, например, патент Финляндии 65940, содержит две лопасти, имеющие поперечное сечение в форме полуокружного цилиндра, расположенные симметрично относительно оси вращения. Поперечное сечение этого типа ротора остается постоянным в продольном направлении, кроме того, верхняя и нижняя кромки снабжены закрывающими пластинами
С целью дальнейшего усовершенствования указанного ротора, еще одна конструкция воздушного ротора измененной формы представлена в патенте Финляндии 67919. В этом, так называемом роторе Виндсайд закрывающие пластины удалены и добавлена винтовая форма, так чтобы удалить так называемые мертвые положения ротора. В этом воздушном роторе плоскость ху поперечного сечения поворачивается равномерно вокруг вертикальной оси воздушного ротора, при одновременном перемещении в продольном направлении ротора.

Конструкция данного ротора содержит шасси и две удлиненные лопасти с криволинейным поперечным сечением, расположенные в осевом направлении симметрично вокруг геометрической оси, так что вогнутые боковые поверхности лопастей частично перекрывают друг друга, оставляя проем в осевом направлении между внутренними кромками лопастей. В дополнение, лопасти закручены в виде спирали друг относительно друга. Вал ротора, являющийся частью конструкции ротора, выполнен параллельно геометрической оси и соединен у одного конца с шасси. Конструкция ротора содержит, в поперечном направлении относительно вала ротора, переходные элементы в виде ребер, соединяющие кромки лопастей друг с другом, чтобы увеличить прочность конструкции. Переходные элементы воздушного ротора регулируются в продольном направлении, и, в дополнение, они имеют форму купола в поперечном сечении, например, форму профиля крыла самолета. В публикациях представлен воздушный ротор, в котором угол закручивания лопастей составляет 180^o.

Вышеописанный усовершенствованный воздушный ротор, в особенности благодаря своей спиральной форме, имеет, несомненно, больше преимуществ, чем предыдущие сравнимые конструкции, так как ветер почти любого направления вызывает движение ротора. Главной проблемой, относящейся к этому типу воздушного ротора, является трудность изготовления, что делает необходимым изготовление шаблона на всю длину воздушного ротора, так как лопасти не могут быть получены путем изготовления из заготовок из плоского листа. В результате производственные затраты применительно к воздушному ротору такого типа очень высоки, поскольку изготовление требует, во-первых, очень точного соблюдения размеров и, во-вторых, высокой квалификации, для того чтобы достичь желаемого результата. Другая проблема, связанная с этим решением, заключается в том, что при изготовлении воздушных роторов с небольшими вариациями в размерах, для каждого варианта должен быть разработан и изготовлен индивидуальный шаблон.

Сущность изобретения
Спиральный воздушный ротор, предложенный согласно настоящему изобретению, предназначен для внесения решающего вклада в преодоление описанных выше трудностей и, таким образом, в существенное расширение уровня технологии в этой области техники. Для решения данной задачи воздушный ротор, выполненный согласно изобретению, отличается прежде всего тем, что поперечное сечение лопасти, принадлежащей воздушному ротору, выполнено по существу отличным от формы полуокружности, с тем чтобы обеспечить возможность изготовления лопасти по существу из плоской заготовки.

Наиболее важное преимущество воздушного ротора, выполненного согласно изобретению, - это упрощение его изготовления, потому что нет необходимости в изготовлении индивидуального шаблона на полную длину ротора, а желаемая форма воздушного ротора может быть получена очень легко, в зависимости от типа материала, например, посредством прокатки плоских заготовок лопасти или путем изгиба до соответствующей формы заготовок лопасти, выполненных из эластичного материала. При использовании, например, тонких металлических или полимерных листов лопасть может иметь опоры для корректировки положения только на верхних и нижних кромках, например, с шасси трубчатой формы, и жесткая конструкция вала обеспечивает соответствующую высоту, и остальной части лопасти придается правильная форма. Соответственно, лопасть может также иметь опору по спиральным кривым внутренней и наружной кромок. Стоимость изготовления воздушного ротора, выполненного согласно изобретению, таким образом, является очень низкой. Кроме того, производство нескольких вариантов роторов с незначительными отличиями в размерах становится легко осуществимым с высокой точностью, благодаря возможности расчетного определения формы для плоских заготовок лопасти.

Предпочтительные варианты выполнения воздушного ротора согласно изобретению представлены в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение относится также к способу изготовления воздушного ротора, определенному более подробно во вводной части независимого пункта формулы изобретения, относящегося к способу. Главные отличительные особенности способа представлены в отличительной части соответствующего пункта формулы изобретения.

Наиболее важными преимуществами способа, предложенного согласно изобретению, являются техническая простота и ясность расчетной подготовки определения формы для плоской заготовки лопасти, что дополнительно делает возможным изготовление воздушного ротора с очень низкой стоимостью. Главное преимущество этого способа состоит в том, что, в отличие от известных способов изготовления воздушных роторов сравнимого типа, размеры воздушного ротора могут быть определены расчетным путем в виде точно заданных плоских заготовок, из которых затем может быть получен воздушный ротор с очень точными размерами, с использованием соответствующего способа формовки листового материала. Способ, предложенный согласно изобретению, обладает исключительными преимуществами, особенно из-за того, что не требуется больше шаблона на всю длину воздушного ротора, а воздушный ротор, выполненный согласно изобретению, может быть собран с использованием очень простых несущих конструкций, посредством изгиба плоских заготовок лопасти, определенных расчетным путем, с приданием заданной формы. Другое важное преимущество изобретения состоит в том, что материал для изготовления лопастей может быть выбран из более широкого ряда материалов, чем в известных решениях.

Варианты предпочтительного выполнения способа согласно изобретению представлены в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения.

Перечень фигур чертежей
Изобретение описано ниже более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает поперечное сечение лопасти, принадлежащей известному воздушному ротору, и содержит параметры, используемые в соответствующем математическом анализе;
фиг. 2 изображает лопасть, относящуюся к известному воздушному ротору, в виде параллельной проекции, и содержит параметры, относящиеся к трехмерному представлению, используемые в соответствующем математическом анализе;
фиг.3 изображает развернутую на плоскости лопасть, относящуюся к воздушному ротору, выполненному согласно изобретению, и содержит параметры, относящиеся к плоской развертке, используемые в математическом анализе;
фиг.4 изображает в поперечном сечении обычный воздушный ротор;
фиг. 5 изображает в поперечном сечении воздушный ротор, выполненный согласно изобретению;
фиг.6 изображает развернутую на плоскости лопасть, принадлежащую воздушному ротору, выполненному согласно изобретению;
фиг. 7 изображает лопасти воздушного ротора, выполненного согласно изобретению в виде параллельной проекции.

Спиральный воздушный ротор, содержащий по меньшей мере две лопасти 1, которые, как видно в поперечном сечении, выполнены по существу одинаковой формы и кривизны и расположены параллельно оси вращения о и так, что лопасти 1 расположены наиболее подходящим образом с равными промежутками относительно угла вращения цилиндрической системы координат о, z. Для того чтобы обеспечить спиральную форму воздушного ротора, поперечные сечения sp лопастей расположены так, что они поворачиваются в продольном направлении z воздушного ротора. Поперечное сечение sp лопасти, принадлежащей воздушному ротору, выполнено по существу отличным от формы полуокружности, с тем чтобы обеспечить возможность изготовления лопасти по существу из плоской заготовки.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения, в особенности со ссылками на фиг.1, 2 и 3, и с использованием параметров, приведенных в них, форма f(φ) поперечного сечения sp и кривой ξ(φ), η(φ) сечения, развернутой на плоскости лопасти 1', определяется как задача граничных значений:
ξ′(φ)²+η′(φ)² = f(φ)²+f′(φ)²


ξ(0) = 0
η(0) = 0
f(0)=Q/2

Далее, развернутая на плоскость лопасть 1', представленная на фиг.6, является частью, вырезанной из кругового кольца, другие размеры которого определяются уравнениями:


В дополнение к варианту предпочтительного выполнения, в особенности относящегося к решению, представленному на фиг.7, общее спиральное закручивание воздушного ротора составляет U=180^o и высота ротора Н равна 2. При рассмотрении практических областей применения предпочтительно использование более удлиненного ротора, например, с Н=4. Разумеется, возможно также использование спирали с углом закручивания 90^o, а также с любым другим углом. Кроме того, возможно создание воздушного ротора, например, с тремя лопастями в том же поперечном сечении.

Таким образом, способ, предложенный согласно изобретению, основывается на изготовлении лопасти по существу из плоской заготовки, где поперечное сечение лопасти выполнено существенно отличным от формы полуокружности.

Предпосылки для вышеописанной реализации могут быть обоснованы математическим анализом, в результате которого, при использовании параметров, представленных на фиг.1 и 2, для полукруглого сечения лопасти в плоскости ху получены следующие уравнения,
Уравнение 1:
.

Безотносительно формы сечения в плоскости ху, можно записать:
Уравнение 2: .

Уравнение 3: .

Уравнение 4: tg(β(φ)) = Ef(φ).

Если поверхность лопасти развернуть на плоскость, первое требование заключается в том, что углы β(0) и β(π) вершины на верхней и нижней кромках должны сохранять истинные значения. Так как β(φ) не является постоянным, нижняя кромка не может быть отображена в виде прямой линии.

Заготовка помещается так, что верхние спиральные кромки отображаются вертикально и внутренняя вершина нижней кромки расположена снизу слева. Так как траектории различных точек сечения в плоскости ху имеют различную длину, то вертикальная кромка заготовки также не может иметь форму прямой линии. Однако, так как она должна иметь постоянную ширину, она должна быть отображена в виде кольцевого сектора. Регулярность в вертикальном направлении означает, что это круговое кольцо.

Далее вводятся термины, относящиеся к геометрии развернутой на плоскости лопасти, и в особенности к ее нижней кромке или развернутой кривой сечения:
ρ(φ) - радиус кольца,
ρ₀ - внутренний радиус кольца,
ξ(φ) - горизонтальная координата кривой сечения,
η(φ) - вертикальная координата кривой сечения,
θ(φ) - угол радиуса, проведенного к кривой сечения, относительно горизонтального направления,
ψ - угол всего кольцевого сектора.

Кривая сечения теперь начинается в направлении угла β(0) у нижней левой точки ξ = 0, η = 0, и ее длина вдоль кривой равна s(φ). Координаты не могут в общем случае быть указаны в закрытой форме. Производные по φ могут быть определены как:
Уравнение 5:
.

Уравнение 6:
.

Следующая зависимость получается для угла θ(φ):
Уравнение 7:

Общая формула для радиуса изгиба сектора находится простым путем:
Уравнение 8:

Радиус изгиба может быть также представлен как функция координат ξ и η следующим образом:
Уравнение 9:

Из уравнений 5-9 вытекает система из трех дифференциальных уравнений с тремя неизвестными функциями f(φ),ξ(φ) и η(φ):
Уравнение 10:
ξ′(φ)²+η′(φ)² = f(φ)²+f′(φ)²
Уравнение 11:

Уравнение 12:

Начальные условия для функций ξ(φ) и η(φ) могут быть получены непосредственно из определения:
Уравнение 13:
ξ(0) = 0,
η(0) = 0.

Из требования того, что начальная и конечная точки кривой сечения должны находиться на одной прямой с осью ротора, могут быть получены граничные условия:
Уравнение 14:
f(0)=Q/2,
.

Кривая сечения в виде полуокружности ротора Виндсайд (FI 67919) или уравнение 1 не удовлетворяют требованиям, представленным в уравнениях 10-14.

Специальный случай, когда угол закручивания достигает нуля, является сингулярностью. При этом угол β(φ) наклона достигает постоянного значения, равного нулю, g(φ) достигает постоянного значения, равного единице, а радиус ρ изгиба возрастает до бесконечности. В этом случае, соответствующем вертикальной лопасти, любая функция f(φ) удовлетворяет условиям, заданным для заготовки, которая может быть развернута в плоскость
Теперь задача состоит в том, чтобы исследовать, какие формы удовлетворяют требованиям, содержащимся в уравнениях 10-14. Сложная нелинейная система дифференциальных уравнений может быть решена только численными методами. Задавая параметр Q, угол ψ сектора заготовки, удовлетворяющий граничным условиям уравнения 14, может быть найден методом проб и итераций. Решение содержит аппроксимацию функций f(φ),ξ(φ) и η(φ).
Очевидно, что для каждого значения параметра Q может быть найдено уникальное решение, когда значение попадает в диапазон (δ, 1), где δ - это нижний предел, в окрестности значения 0,2. Решение не может быть найдено при меньших значениях, и когда достигается нижний предел, форма является нежелательной в том смысле, что кривая начинается достаточно круто от оси ротора. Другие формы лопастей, которые могут быть развернуты на плоскость, могут быть найдены, если базовая геометрия, указанная в начале, будет каким-либо образом модифицирована.

Для того чтобы начертить плоскую заготовку, должны быть найдены также ее остальные размеры. Из уравнения 8 могут быть найдены радиусы внутренней и наружной кромок для кольцевого сектора:
Уравнение 15:

Корд J внутренней кромки и функция β(φ) угла наклона могут быть получены далее из уравнений:
Уравнение 16:

Уравнение 17:
β(φ) = arctg(Ef(φ)).

На фиг. 7 изображен воздушный ротор, форма которого определена в соответствии с процедурой, представленной выше. как параллельная проекция.

Материал для плоской заготовки может быть такой, который может изгибаться, но не слишком легко растягивается. Этим требованиям удовлетворяют тонкие металлические листы и многие полимерные листы. Когда конструкция имеет опору только у верхней и нижней кромок, например, с трубчатым основанием, а жесткая конструкция вала обеспечивает необходимую высоту, остальная часть лопасти принимает заданную форму. С другой стороны, усилия упругости при изгибе стремятся растянуть воздушный ротор в продольном направлении, что предполагает, что закрепление вала и лопасти должны быть разработаны так, чтобы противодействовать растяжению. При рассмотрении работы воздушного ротора существенным является также то, что пространство рядом с валом выполнено открытым, так что воздушный поток может проходить от одной лопасти к другой, что, разумеется, должно быть принято во внимание при проектировании, например, потенциальных несущих конструкций.

Очевидно, что изобретение не ограничено вариантами выполнения, представленными или описанными выше, но может быть модифицировано в рамках той же основной идеи. Например, граничные условия уравнения 10 выбраны так, что начальная и конечная точки поперечного сечения лопасти и ось ротора находятся на одной и той же прямой линии. Граничные условия для решения дифференциальных уравнений также могут выбраны иначе, по-прежнему обеспечивая развертку лопасти на плоскости. В таких случаях, например, лопасть может быть получена при удалении полосы с каждой кромки, или же при продолжении лопасти либо внутрь, либо наружу. Возможно также обеспечение эластичной опоры лопастей ротора, так что при сильном ветре диаметр ротора будет временно увеличиваться.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к конструкции спирального воздушного ротора. Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, обеспечивается за счет того, что в спиральном воздушном роторе, содержащем по меньшей мере две лопасти, которые при рассмотрении в поперечном сечении выполнены по существу одинаковой формы и кривизны и расположены параллельно оси вращения наиболее подходящим образом с равными промежутками относительно угла вращения цилиндрической системы координат, чтобы создать спиральную форму воздушного ротора, поперечные сечения лопастей расположены с поворотом в продольном направлении воздушного ротора, так что поперечные сечения лопастей выполнены по существу отличными от формы полуокружности, с возможностью изготовления лопасти по существу из плоской заготовки, причем лопасть, развернутая на плоскости, является частью кругового кольца. Изобретение также относится к способу изготовления воздушного ротора вышеописанного типа. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Спиральный воздушный ротор, содержащий по меньшей мере две лопасти (1), которые при рассмотрении в поперечном сечении выполнены по существу одинаковой формы и кривизны и расположены параллельно оси вращения (о) наиболее подходящим образом, с равными промежутками относительно угла вращения цилиндрической системы координат (о, z), причем для того, чтобы создать спиральную форму воздушного ротора, поперечные сечения (sp) лопастей расположены с поворотом в продольном направлении (z) воздушного ротора, отличающийся тем, что поперечные сечения (sp) лопастей, относящихся к воздушному ротору, выполнены по существу отличными от формы полуокружности, с возможностью изготовления лопасти по существу из плоской заготовки, так что лопасть (1'), развернутая на плоскости, является частью кругового кольца. 2. Воздушный ротор по п.1, отличающийся тем, что форма поперечного сечения (sp) лопасти и размеры кругового кольца и кривизна сечения определены уравнениями
ξ′(φ)²+η′(φ)² = f(φ)²+f′(φ)²;


ξ(0) = 0;
η(0) = 0;
f(0)=Q/2;



где Н - высота ротора;
Q - промежуток между внутренними кромками лопастей, в пропорции к диаметру ротора;
φ - координата полярного угла в плоскости ху, φ = 0 у внутренней кромки лопасти;
f(φ) - расстояние от оси ротора до точки лопасти как функция полярного угла φ, в пропорции к диаметру ротора;
ξ(φ) - горизонтальная координата развернутой кривой сечения;
η(φ) - вертикальная координата развернутой кривой сечения;
ρ_o - внутренний радиус кругового кольца;
ρ_π - наружный радиус кругового кольца;
ψ - угол всего кругового сектора;
U - общее спиральное закручивание лопасти;
Е - спиральный подъем лопасти (Е=U/Н). 3. Воздушный ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что общее спиральное закручивание лопасти U выбрано равным π (180^o), а высота ротора Н выбрана равной 4. 4. Способ изготовления спирального воздушного ротора, содержащего по меньшей мере две лопасти (1), которые при рассмотрении в поперечном сечении выполнены по существу одинаковой формы и кривизны и расположены параллельно оси вращения (о) наиболее подходящим образом, с равными промежутками относительно угла вращения цилиндрической системы координат (о, z), причем для формирования воздушного ротора спиральной формы поперечные сечения (sp) лопастей расположены с поворотом в продольном направлении (z) воздушного ротора, отличающийся тем, что лопасть, принадлежащую воздушному ротору, изготавливают по существу из плоской заготовки, причем поперечное сечение (sp) лопасти выполнено по существу отличным от формы полуокружности. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что плоская развернутая лопасть (1') является частью, вырезанной из кругового кольца, в котором форма поперечного сечения (sp) лопасти и размеры кругового кольца и кривая сечения определены уравнениями
ξ′(φ)²+η′(φ)² = f(φ)²+f′(φ)²;


ξ(0) = 0;
η(0) = 0;
f(0)=Q/2;



где Н - высота ротора;
Q - промежуток между внутренними кромками лопастей в пропорции к диаметру ротора;
φ - координата полярного угла в плоскости ху, φ = 0 у внутренней кромки лопасти;
f(φ) - расстояние от оси ротора до точки лопасти как функция полярного угла φ в пропорции к диаметру ротора;
ξ(φ) - горизонтальная координата развернутой кривой сечения;
η(φ) - вертикальная координата развернутой кривой сечения;
ρ_o - внутренний радиус кругового кольца;
ρ_π - наружный радиус кругового кольца;
ψ - угол всего кругового сектора;
U - общее спиральное закручивание лопасти;
Е - спиральный подъем лопасти (Е=U/Н).