РОТОРНО-КРЫЛЬЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ КОНВЕКЦИОННЫХ ВОЗДУШНЫХ И ЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ Российский патент 2007 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к устройствам для использования кинетической энергии поступательного движения конвекционных воздушных и жидкостных потоков при выработке электроэнергии или совершения механической работы и может найти применение в ветро- и гидроэнергетике, например, в ветроэнергетических или гидроэнергетических станциях.

Известен роторный ветродвигатель, содержащий две полуцилиндрические лопасти, укрепленные на вертикальном вращающемся валу, и использующий кинетическую энергию поступательного движения таких конвекционных потоков, как горизонтальные воздушные, направления которых перпендикулярны оси вертикального вращающегося вала (Большая советская энциклопедия / Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1971. - Т.4. - С.589, рис.16).

Основным недостатком роторного ветродвигателя является его низкая эффективность, так как коэффициент использования энергии ветра у него не превышает 0,15, что обусловлено отсутствием возможности применения кинетической энергии поступательного движения таких конвекционных потоков, как вертикальные восходящие и нисходящие воздушные потоки. Кроме того, роторный ветродвигатель не может быть использован при применении конвекционных жидкостных потоков.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является крыльчатый ветродвигатель, содержащий крылья, выполненные из профилированных лопастей, соединенных через наконечник со ступицей, горизонтальный вращающийся вал, на котором укреплена ступица, и использующий кинетическую энергию поступательного движения таких конвекционных потоков, как горизонтальные воздушные, направления которых параллельны оси горизонтального вращающегося вала. Лопасти имеют плоско-выпуклые аэродинамические профили и соединены со ступицей жестко под некоторым углом установки ϕ к плоскости вращения, перпендикулярной оси горизонтального вращающегося вала, или с помощью подшипниковых узлов, в которых лопасти имеют возможность поворачиваться для изменения угла установки ϕ. Крылья смещены относительно друг друга на 120°. Воздушный поток набегает на лопасть с относительной скоростью под некоторым углом атаки. Возникающая в каждой лопасти аэродинамическая сила является результатом сложения двух сил: подъемной силы, создающей вращательный момент, и силы лобового давления, действующей по оси горизонтального вращающегося вала (Большая советская энциклопедия, 1971. - Т.4. - С.589, рис.2, 3).

Основным недостатком крыльчатого ветродвигателя является его пониженная эффективность, обусловленная отсутствием возможности использования для его работы кинетической энергии поступательного движения таких конвекционных потоков, как вертикальные восходящие или нисходящие воздушные потоки, перпендикулярные оси горизонтального вращающегося вала, при отсутствии горизонтального воздушного потока - ветра, а также отсутствием возможности использования кинетической энергии поступательного движения таких конвекционных потоков, как жидкостные. Другим недостатком крыльчатого ветродвигателя является необходимость в ориентации профилированных лопастей по направлению ветра, то есть относительно набегающего горизонтального воздушного потока, посредством дополнительного хвостового оперения или поворотных ветрячков.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности устройства путем преобразования кинетической энергии поступательных движений конвекционных воздушных и жидкостных потоков таких, как вертикальные восходящие или нисходящие воздушные, жидкостные потоки при отсутствии горизонтальных потоков, горизонтальные воздушные, жидкостные потоки при отсутствии вертикальных потоков, одновременно существующие горизонтальные и вертикальные потоки, воздушные или жидкостные, в кинетическую энергию вращательного движения вала при отсутствии необходимости в ориентации профилированных лопастей относительно набегающего конвекционного потока.

Для достижения названного технического результата в роторно-крыльчатом двигателе для конвекционных воздушных и жидкостных потоков, содержащем крылья, выполненные из профилированных лопастей, соединенных через наконечник со ступицей, вращающийся вал, на котором укреплена ступица, причем крылья смещены относительно друг друга, согласно изобретению крылья расположены параллельно друг другу относительно оси вертикального вращающегося вала и смещены относительно друг друга вдоль размаха крыльев так, что наконечник крыла расположен на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала не большем, чем расстояние от наконечника крыла до максимального горизонтального поперечного сечения аэродинамического профиля лопасти, а лопасти, имеющие вдоль и поперек вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала, изогнуты вдоль и поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой и направлены отогнутыми вдоль размаха крыльев концами в противоположные стороны относительно оси вертикального вращающегося вала. При этом чем более удален аэродинамический профиль вдоль размаха крыла от оси вертикального вращающегося вала, тем больше угол наклона аэродинамического профиля к плоскости вращения.

Повышение эффективности роторно-крыльчатого двигателя для конвекционных воздушных и жидкостных потоков обусловлено выполнением лопастей, имеющих вдоль и поперек вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала, изогнутыми вдоль и поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой, что позволяет реализовать заявляемое устройство как роторный двигатель для горизонтальных воздушных и жидкостных потоков при использовании поверхностей лопастей, изогнутых вдоль размаха крыльев по экспоненциальной кривой, и как крыльчатый двигатель для вертикальных восходящих и нисходящих воздушных и жидкостных потоков при использовании поверхностей лопастей, изогнутых поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой.

Одновременное обтекание лопастей конвекционным вертикальным и перпендикулярное падение на лопасть горизонтального воздушного или жидкостного потока позволяет реализовать заявляемое устройство как роторно-крыльчатый двигатель. Если горизонтальный воздушный или жидкостный поток падает на лопасть под углом атаки, то устройство реализуется как крыльчато-крыльчатый двигатель.

Размещение наконечника крыла на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала не большем, чем расстояние от наконечника крыла до максимального горизонтального поперечного сечения аэродинамического профиля лопасти является оптимальным в связи с тем, что мощность, развиваемая на валу роторно-крыльчатого двигателя, пропорциональна его диаметру, зависит от формы и профиля лопастей, а увеличение расстояния уменьшает диаметр двигателя и его мощность. Относительный вращающий момент зависит от быстроходности двигателя, которая пропорциональна радиусу двигателя. Увеличение расстояния от наконечника крыла на большее, чем до максимального горизонтального поперечного сечения профилированной лопасти, приведет к уменьшению радиуса двигателя и, соответственно, его быстроходности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен вид сверху роторно-крыльчатого двигателя для конвекционных воздушных и жидкостных потоков; на фиг.2 - вид сбоку роторно-крыльчатого двигателя для конвекционных воздушных и жидкостных потоков с поперечным сечением профилированных лопастей; на фиг.3 - вид сбоку элемента роторно-крыльчатого двигателя для конвекционных воздушных и жидкостных потоков с поперечным сечением вдоль и поперек профилированной лопасти и схема взаимодействия профилированной лопасти с набегающим вертикальным либо горизонтальным воздушным или жидкостным потоком, падающим на профилированную лопасть под некоторым углом атаки, а также с горизонтальным воздушным или жидкостным потоком, падающим перпендикулярно на лопасть; на фиг.4 - вид сбоку элемента роторно-крыльчатого двигателя для конвекционных воздушных и жидкостных потоков с поперечным сечением вдоль и поперек профилированной лопасти и схема, при одновременном обтекании профилированной лопасти, взаимодействия профилированной лопасти с конвекционными и вертикальным, и горизонтальным воздушными или жидкостными потоками. Кроме того, на чертеже изображено следующее:

- V_вα - относительная скорость вертикального восходящего воздушного или жидкостного потока;

- V_гγ - относительная скорость горизонтального воздушного или жидкостного потока;

- V_г - относительная скорость горизонтального воздушного или жидкостного потока, падающего перпендикулярно на профилированную лопасть;

- ϕ - угол установки профилированной лопасти на ступице к оси вращения вертикального вала;

- α - угол атаки между набегающим вертикальным воздушным или жидкостным потоком и вертикально профилированной поверхностью лопасти;

- γ - угол атаки между набегающим горизонтальным воздушным или жидкостным потоком и горизонтально профилированной поверхностью лопасти;

- β - угол наклона вертикального сечения профиля лопасти к плоскости вращения перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала;

- P_zв - сила лобового давления, создаваемая набегающим под углом атаки α вертикальным воздушным или жидкостным потоком;

- Р_ув - подъемная сила давления, создаваемая набегающим под углом атаки α вертикальным воздушным или жидкостным потоком;

- R_Σв - полная аэродинамическая сила, создаваемая P_zв и Р_ув;

- P_хг - сила лобового давления, создаваемая набегающим под углом атаки γ горизонтальным воздушным или жидкостным потоком;

- Р_уг - подъемная сила давления, создаваемая набегающим под углом атаки γ горизонтальным воздушным или жидкостным потоком;

- R_Σг - полная аэродинамическая сила, создаваемая Р_хг и Р_уг;

- R_Σ - полная аэродинамическая сила, создаваемая R_Σв и R_Σг;

- R_Σy - результирующая полная подъемная вращающая сила давления, создаваемая Р_ув и Р_уг;

- М - вращающий момент.

Роторно-крыльчатый двигатель для конвекционных воздушных и жидкостных потоков содержит крылья 1, выполненные из профилированных лопастей 2, соединенных через наконечник 3 со ступицей 4. Ступица 4 укреплена на вертикальном вращающемся валу 5 и соединена через наконечник 3 с лопастью 2 посредством подшипниковых узлов 6 с возможностью поворота в последних для изменения угла установки ϕ. Крылья 1 расположены параллельно друг другу относительно оси вертикального вращающегося вала 5 и смещены относительно друг друга вдоль размаха крыльев так, что наконечник 3 расположен на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала 5 не большем, чем расстояние от наконечника 3 до максимального горизонтального поперечного сечения 7 аэродинамического профиля лопасти 2. Лопасти 2 вдоль и поперек имеют вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона β к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала 5, изогнуты вдоль и поперек размаха крыльев 1 по экспоненциальной кривой и направлены отогнутыми вдоль размаха крыльев 1 концами в противоположные стороны относительно оси вертикального вращающегося вала 5. При этом чем более удален аэродинамический профиль лопасти 2 вдоль размаха крыла 1 от оси вертикального вращающегося вала 5, тем больше угол наклона β аэродинамического профиля к плоскости вращения.

Каждая профилированная лопасть 2 вдоль и поперек выполнена с переменной толщиной по высоте от максимальной до минимальной и при поперечном сечении лопасти 2 образуется горизонтальный аэродинамический профиль 7 и вертикальный аэродинамический профиль 8 относительно вертикального вращающегося вала 5.

Роторно-крыльчатый двигатель для конвекционных воздушных и жидкостных потоков работает следующим образом.

Вертикальный восходящий воздушный или жидкостный поток набегает на лопасть 2 с относительной скоростью V_вα под углом атаки α, протекает по вертикально профилированной поверхности лопасти 2. Возникающая на каждой лопасти 2 полная аэродинамическая сила R_Σв раскладывается на подъемную силу давления Р_ув, создающую вращающий момент М, направленный по оси вертикального вращающегося вала 5, и на силу Р_zв лобового давления, действующую параллельно оси вертикального вращающегося вала 5 (фиг.3).

Горизонтальный воздушный или жидкостный поток набегает на лопасть 2 со скоростью V_гγ под углом атаки γ, протекает по горизонтально профилированной поверхности лопасти 2. Возникающая на каждой лопасти 2 полная динамическая сила R_Σг раскладывается на подъемную силу давления Р_уг, создающую вращающий момент М, направленный по оси вертикального вращающегося вала 5, и на силу Р_хг лобового давления, действующую перпендикулярно оси вертикального вращающегося вала 5 (фиг.3).

Горизонтальный воздушный или жидкостный поток набегает со скоростью V_г перпендикулярно на лопасть 2, протекает по горизонтально и по вертикально профилированным поверхностям лопасти 2, и поток отклоняется от своего первоначального направления, в результате поток изменяет свое количество движения, и со стороны текущего потока на лопасть 2 действует сила реакции Р_г, момент которой и вызывает вращающий момент М, направленный по оси вала 5 (фиг.3).

Одновременное обтекание лопасти 2 (фиг.4) конвекционным и вертикальным и горизонтальным воздушными или жидкостными потоками с относительной скоростью V_вα и V_гγ под углом атаки α и γ соответственно, обеспечивает возникновение подъемных сил давления Р_ув и Р_уг, обусловливающих действие результирующей подъемной силы давления Р_Σу, вызывающей вращающий момент М, направленный по оси вала 5, который больше вращающего момента, создаваемого либо действием вертикального, либо действием горизонтального воздушного или жидкостного потока.

Общий коэффициент полезного действия роторно-крыльчатого двигателя равен коэффициенту полезного действия роторного двигателя, умноженного на коэффициент полезного действия крыльчатого двигателя. Поэтому даже относительно небольшие изменения ветрового режима не приведут к значительным колебаниям мощности, развиваемой роторно-крыльчатым двигателем.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает преобразование кинетической энергии поступательных движений конвекционных воздушных или жидкостных потоков - вертикальных восходящих или вертикальных нисходящих, горизонтальных, одновременно вертикальных и горизонтальных, в кинетическую энергию вращательного движения вала.

Изобретение относится к устройствам для использования кинетической энергии поступательного движения конвекционных воздушных и жидкостных потоков при выработке электроэнергии или совершения механической работы и может найти применение в ветро- и гидроэнергетике, например, в ветроэнергетических или гидроэнергетических станциях. Роторно-крыльчатый двигатель для конвекционных воздушных и жидкостных потоков содержит крылья, выполненные из профилированных лопастей, соединенных через наконечник со ступицей, вращающийся вал, на котором укреплена ступица. Крылья расположены параллельно друг другу относительно оси вертикального вращающегося вала и смещены относительно друг друга вдоль размаха крыльев так, что наконечник крыла расположен на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала не большем, чем расстояние от наконечника крыла до максимального горизонтального поперечного сечения аэродинамического профиля лопасти. Лопасти, имеющие вдоль и поперек вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала, изогнуты вдоль и поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой и направлены отогнутыми вдоль размаха крыльев концами в противоположные стороны относительно оси вертикального вращающегося вала. При этом чем более удален аэродинамический профиль вдоль размаха крыла от оси вертикального вращающегося вала, тем больше угол наклона аэродинамического профиля к плоскости вращения. 4 ил.

Роторно-крыльчатый двигатель для конвекционных воздушных и жидкостных потоков, содержащий крылья, выполненные из профилированных лопастей, соединенных через наконечник со ступицей, вращающийся вал, на котором укреплена ступица, причем крылья смещены относительно друг друга, отличающийся тем, что крылья расположены параллельно друг другу относительно оси вертикального вращающегося вала и смещены относительно друг друга вдоль размаха крыльев так, что наконечник крыла расположен на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала не большем, чем расстояние от наконечника крыла до максимального горизонтального поперечного сечения аэродинамического профиля лопасти, а лопасти, имеющие вдоль и поперек вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала, изогнуты вдоль и поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой и направлены отогнутыми вдоль размаха крыльев концами в противоположные стороны относительно оси вертикального вращающегося вала, при этом чем более удален аэродинамический профиль вдоль размаха крыла от оси вертикального вращающегося вала, тем больше угол наклона аэродинамического профиля к плоскости вращения.