РОТОР Российский патент 2005 года по МПК F03D3/00 

Предлагаемое изобретение относится к ветрогидроустановкам и может быть использовано для получения механической или электрической энергии.

Известны конструкции аналогичного назначения, преобразующие энергию потока воздуха или воды во вращательное движение [1, 2, 3, 4].

Такого рода роторные и карусельные двигатели с вертикальной осью вращения имеют низкий коэффициент использования энергии потока газа или жидкости, поскольку приводятся во вращение только частью потока, движущегося попутно, например наветренным лопастям.

Известны также роторы типа Савониуса и Кажинского, в которых энергия части потока, уже использованного при давлении на лопасть, отражается от нее и повторно оказывает давление на другую лопасть, что повышает коэффициент использования ветрогидропотока [5, 6, 7, 8].

Однако такого рода устройства неравномерно воспринимают давление потока с разных направлений, т.е. имеют нерабочие (“мертвые”) зоны, поэтому для обеспечения равномерности их вращения используют два и более аналогичных ротора, расположенных на общей оси, но лопасти их сдвинуты на определенный угол.

Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является выбранная в качестве прототипа роторная турбина системы Угринского [9], содержащая пару лопастей, расположенных на диске симметрично относительно оси вращения ротора. В данном роторе, так же как и в роторе Савониуса, частично используется вторично отражаемый поток, а за счет определенной конфигурации лопастей уменьшена нерабочая зона [9, стр. 30, 31, 32].

Однако, прототипу присущ тот же недостаток: низкий коэффициент использования энергии потока из-за неравномерности его движения через ротор и неодинаковой реакции разных частей лопасти на поток, что увеличивает его завихрения, снижающие в итоге крутящий момент. Кроме того, в прототипе не осуществляется регулирование оборотов в зависимости от скорости ветра.

Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с известными устройствами заключаются в следующем:

- Дополнительно введена вторая пара лопастей и образованы для потока жидкости или газа рабочие поверхности сегментов от точек пересечения обеих пар лопастей до их окончания на периферии диска, причем для движения потока образованы четыре (вместо одного в прототипе) сквозных канала за счет удаления участков лопастей между точками их пересечения вблизи центра вращения. Это увеличило объем использования вторичного отраженного потока.

- На рабочей поверхности сегментов, образовавшихся за счет пересечения двух пар лопастей, выполнены в направлении к центру его вращения нормально закрытые клапаны, через вторые дополнительно проходит часть энергии потока.

- Сегменты расположены на дополнительных основаниях, имеющих ось вращения с шестерней, причем шестерни соединены посредством механической передачи с регулятором числа оборотов, что позволяет выбрать оптимальный режим работы ротора при имеющейся скорости ветра.

Это дает возможность расширить используемый диапазон скоростей потока ветра или воды, при которых ротор работоспособен, улучшить равномерность его вращения и оптимально использовать энергию потока за счет регулирования оборотов в автоматическом режиме.

Совокупность указанных технических преимуществ заявляемого объекта обеспечит положительный эффект, заключающийся в увеличении коэффициента использования энергии потока и упрощении схемы регулирования числа оборотов ротора.

На фиг.1 изображено распределение потока газа или жидкости в роторной турбине Угринского. На фиг.2 показана схема образования ротора, предложенного автором, на фиг.3 изображен ротор (общий вид).

Ротор имеет диск 1, на котором крепятся лопасти 2, 3, 4, 5, расположенные на диске симметрично относительно его оси вращения (верхний диск может отсутствовать). Части пересекающихся лопастей 2, 3, 4, 5 образуют сегменты, которые могут размещаться на своих основаниях 6. На рабочей поверхности лопастей 2, 3, 4, 5 сегментов в направлении к центру ротора выполнены нормально закрытые подпружиненные клапаны 7. Сегменты вместе с основаниями имеют возможность поворачиваться на своих осях посредством шестеренок 8, соединенных общей механической передачей 9 с шестерней 10 стандартного центробежного регулятора оборотов (не показан).

Ротор работает следующим образом. На фиг.1 изображено возможное распределение в прототипе потоков V₁ и V₂ с разных направлений ротора. Испытаниями макетов по схемам Угринского установлено, что направление V₁ более предпочтительно, чем V₂, поскольку поток отражается дважды, создавая больший крутящий момент, сначала от дуги “cb” лопасти 3, а затем, после центра вращения, от дуги “bс” лопасти 2. Кроме того, поток, прошедший сквозной канал через центр вращения, имеет большую скорость, чем поток, заторможенный полуцилиндрами “bа” лопастей, что создает завихрения, препятствующие ламинарному течению, что в результате снижает коэффициент полезного действия устройства.

Пары лопастей 4, 5 при пересечении с лопастями 2, 3 по системе Угринского образуют четыре криволинейных сегмента “abc”, причем четыре участка лопастей “bb” между точками их пересечения удаляются. В результате образуется четыре криволинейных по направлению к центру канала “abbc” для движения потока жидкости или газа.

С направления “V” (фиг.3) используется максимум энергии потока: часть потока “V11

” проходит через сегмент, образованный отрезками лопастей 2, 4, и через его открывшийся клапан 7, другая основная часть потока V21 проходит через канал между лопастями 2, 3, и незначительная часть этого потока “V31” попадает к центру ротора через сегмент, образованный частью лопастей 3, 4, и его клапан 7. Часть потока “V21” отражается от дуги “СВ” лопасти 3, а суммарный поток “V1”, т.е. (V11+V21+V31), пройдя центр вращения ротора, отражается как от дуги “св” лопасти 4, так и от дуги “cв” лопасти 2, создавая в обоих случаях крутящий момент одного направления “ω”. В указанном положении ротора подпружиненные клапаны 7 двух других сегментов закрыты.

С целью регулирования числа оборотов сегменты размещают на отдельных подвижных основаниях 6, установленных на оси с шестеренками 8. При превышении заданной скорости вращения ротора от центробежного регулятора (не показан) передается вращающий момент на шестеренку 10 общего привода механической передачи (цепи) 9, которая посредством одновременного воздействия на шестерни 8 всех четырех сегментов поворачивает их в одну сторону вплоть до смыкания (касания) сегментов. Крайнее положение “Смыкание роторов” используется также при их остановке для ремонта или обслуживания.

Для сравнительных испытаний были изготовлены три макета одинаковых габаритов: ротор Савониуса, ротор Угринского и ротор по настоящей заявке. Измерения скорости ветра производились анемометром АП 1М, измерения числа оборотов в минуту - фототахометром АТТ6000.

В результате лабораторных испытаний выяснено, что типовой ротор Савониуса имел стартовую скорость ветра 3,0...3,2 м/сек, ротор Угринского - 2,3...2,8 м/сек, а предлагаемый ротор - 1,4...1,8 м/сек.

При максимально полученной в условиях лаборатории скорости ветра около 15 м/сек ротор развивал 590 оборотов в минуту. Ручной перестановкой положения сегментов удавалось получить заданное число оборотов при разных скоростях ветра, что подтверждает возможность автоматического регулирования.

Промышленное освоение такого рода двигателей существенно расширяет область их применения для ветроэнергетики, для создания миниГЭС и др.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №992800, кл. F 03 D 3/00 (аналог).

2. Описание изобретения к европатенту WO 95/08062, форма Б (аналог).

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1663226, кл. F 02 D 3/06 (аналог).

4. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1017814, кл. F 03 D 3/00 (аналог).

5. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1553758, кл. F 03 D 7/06, Ветродвигатель (аналог).

6. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1612109, кл. F 03 D 7/06. Ротор ветродвигателя (аналог).

7. Описание изобретения к патенту РФ №2118703, кл. F 03 D 3/00. Роторный ветродвигатель (аналог).

8. Б.В.Кажинский. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. Под. Ред. Берга, вып. 57, М., 1950 г., с.31, фиг.10 (аналог).

9. Б.В.Кажинский. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. Под ред. Берга, вып. 57, М., 1950 г., с.32, 33, фиг.11 и 12 (прототип).

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для получения механической или электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении коэффициента использования энергии потока и упрощении схемы регулирования числа оборотов ротора. В роторе типа ротора Угринского, содержащем пару лопастей, расположенных на диске симметрично относительно его оси вращения, согласно изобретению, дополнительно введена вторая пара лопастей и образованы для потока газа или жидкости рабочие поверхности сегментов от точек пересечения обеих пар лопастей до их окончания на периферии диска, причем для движения потока образованы сквозные каналы за счет удаления участков лопастей между точками их пересечения вблизи центра вращения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ротор типа ротора Угринского, содержащий пару лопастей, расположенных на диске симметрично относительно его оси вращения, отличающийся тем, что дополнительно введена вторая пара лопастей и образованы для потока газа или жидкости рабочие поверхности сегментов от точек пересечения обеих пар лопастей до их окончания на периферии диска, причем для движения потока образованы сквозные каналы за счет удаления участков лопастей между точками их пересечения вблизи центра вращения.2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что на рабочей поверхности образованных из пересечения лопастей сегментов выполнены в направлении к центру его вращения нормально закрытые клапаны.3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что сегменты расположены на дополнительных основаниях, имеющих ось вращения с шестерней, причем все шестерни соединены посредством механической передачи с регулятором числа оборотов.