Роторный ветрогидродвигатель с принудительной установкой лопастей

Описание изобретения: роторный ветрогидродвигатель с принудительной установкой лопастей. Использование: получение электрической механической энергии для привода насосных и других агрегатов. Сущность изобретения: содержит размещенный на оси ротор с дисками, между которыми на своих осях закреплены лопасти с возможностью их поворота вовнутрь и наружу ротора. Лопасти имеют двухплечевые рычаги разной длины с расположением их вовнутрь и наружу ротора. Гибкие тяги лопастей подключены между большим по длине наружным плечом каждого рычага предыдущей лопасти и меньшим по длине внутренним плечом рычага последующей лопасти по направлению вращения ротора. Отъем кинетической энергии осуществляется как от части потока прошедшего вовнутрь ротора, так и от наружной части потока, при этом большее количество лопастей, входящих в состав ротора, раскрыто для приема потока. Технический результат заключается в увеличении коэффициента использования энергии потока и единичной мощности подобных агрегатов.

Предлагаемая полезная модель относится к роторным энергоустановкам, использующим кинетическую энергию движения потока ветра или воды.

Известные подобные роторные конструкции с неподвижными лопастями [1, 2, 3, 4, 5] имеют низкий коэффициент отбора энергии от потока, так как половина диаметра ротора с лопастями движущимися навстречу потоку закрыты экраном и только лопасти, находящиеся в первой четверти диаметра ротора по ходу движения потока воспринимают часть его энергии пропорционально угловому положению каждой из этих лопастей в данный момент времени. Это эквивалентно приему энергии одной лопастью длиной в половину диаметра ротора, так как лопасти второй четверти диаметра ротора также находятся в энергетической тени для потока и в работе не участвуют.

Известны также роторные установки с подвижными лопастями, в которых лопасти движущиеся навстречу потоку, поворачиваются для уменьшения их аэродинамического торможения [6, 7, 8, 9, 11, 12, 13]. В подобных устройствах участвует в передаче энергии от потока только лопасть, идущая под поток, а остальные лопасти, перемещающиеся поперек или навстречу потока, оказывают тормозящее усилие, что также обуславливает их низкий КПД.

Кроме того, известна конструкция [10], лопасти которой на своих осях под действием потока, проходящего через ротор, отклоняются дважды: вовнутрь и наружу ротора. Однако данная установка имеет сложную схему натяжения лопастей, необходимость их регулировки для установки в исходное положение, а также - при изменяющейся скорости потока ветра или воды.

Наиболее близко по технической сути (прототипом) является устройство «Ветрогидродвигатель» [14], содержащее вал, соединенный с дисками, между которыми размещены ни своих осях лопасти с возможностью их поворота либо вовнутрь, либо наружу ротора. Причем рычаг каждой лопасти имеет пружинный натяжитель, который при отсутствии потока устанавливает лопасти в исходное состояние, при этом ротор превращается в геометрическую фигуру бочки-многогранника, а регулировка при изменяющейся скорости потока обеспечивается общей тягой для пружинных натяжителей.

Данное устройство также имеет недостаточно высокий КПД и ограниченный диапазон регулирования угловых скоростей ротора, ввиду неполного использования энергии потока. Это объясняется тем, что лопасти, ближайшие к входу потока вовнутрь ротора, принимают на себя его давление и отклоняются вовнутрь, вызывая вращение ротора. Однако при повороте последнего на некоторый угол, эти же лопасти не успевают быстро переместиться и раскрыться в положение наружу ротора для эффективного захвата потока.

Таким образом, в зависимости от скорости вращения роторов в диапазоне 2040 угловых градусов часть лопастей по ходу движения потока находятся в неопределенном неустановившемся под поток положении. В условиях быстро меняющихся параметров потока, например ветра, такой недостаток в прототипе не устраняется.

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

Для решения задачи повышения коэффициента использования энергии потока и увеличения мощности установки, в роторный ветрогидродвигатель, содержащий закрепленный на оси ротор с дисками, на периферии которых на своих осях закреплены лопасти с рычагами и с возможностью поворота лопастей во внутрь и наружу ротора, гибкие тяги и опоры поворотные для них, введены следующие отличительные признаки.

Отличительными признаками является то, что рычаги выполнены двухплечевыми и разной длины, причем меньшее по длине плечо рычага расположено вовнутрь ротора, большее по длине плечо рычага - наружу ротора, а гибкие тяги, подключены посредством поворотных опор между большим по длине плечом наружного рычага предыдущей лопасти и меньшим по длине плечом внутреннего рычага последующей лопасти по направлению вращения роторного ветрогидродвигателя.

Принудительная установка лопастей позволяет полностью задействовать энергию потока, перемещающегося как внутри, так и в наружной части ротора за счет вывода из энергетической тени других лопастей, движущихся в потоке вслед за лопастью, воспринимающей в данный момент давление потока.

Поскольку все лопасти на большей части окружности ротора раскрыты и одновременно воспринимают кинетическую энергию потока, то это эквивалентно увеличению эффективной длины лопасти, большей, чем лопасть длиной в радиус ротора в предыдущих конструкциях.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемые варианты устройства не была обнаружена, таким образом, предлагаемая полезная модель соответствует критерию «новая».

На основании сравнительного анализа вариантов предложенного решения с известным уровнем техники по источникам патентной и научно-технической информации можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе отличительных, выполняемых ими функций и достигаемой задачей, предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенные технические решения могут найти применение в энергетике для снабжения электроэнергией потребителей от ветроэнергетических или гидроэнергетических установок.

Предложенное устройство изображено на чертеже фиг.1. вид сверху, со снятым верхним диском.

Лопасти 110 (для данной конструкции десять штук), размещены да своих осях 11 между дисками 12 с возможностью поворота лопастей вовнутрь и наружу ротора.

Рычаги лопастей выполнены и взаимодействуют следующим образом. Плечо 13 рычага, направленное вовнутрь ротора выполнено короче плеча 14 рычага находящегося снаружи ротора, причем плечо более длинного рычага каждой лопасти соединено гибкой тягой 15 через поворотные опоры 16 с плечом короткого рычага каждой последующей лопасти по направлению вращения ротора.

К центральной оси 17, крепятся верхний и нижний диск ротора, а также, например, электрический генератор (не показан на чертеже).

Роторный ветрогидродвигатель с принудительной установкой лопастей работает следующим образом.

При отсутствии потока положение лопастей 110 показано пунктирными линями. При наличии потока V (показано стрелками его направление) ближние к потоку лопасти 1 и 2 отклоняются вовнутрь ротора, пропуская поток через ротор, и понуждают ротор вращаться по часовой стрелке. Одновременно длинные плечи 14 рычагов этих лопастей посредством тяг 15 через опоры 16 воздействуют на более короткие плечи рычагов лопастей 3 и 4. Перемещение тяг вправо показано стрелками. Поскольку лопасть 2 по направлению движения отклонилась раньше, то ее тяга полностью повернула лопасть 4 под захват наружной части потока V с левой стороны ротора. В следующий момент лопасть повернет лопасть 3 и т.д. Таким образом, все остальные лопасти, попадающие под поток при вращении ротора будут воздействовать на последующие лопасти по направлению его вращения. На чертеже тяги задействованы через одну лопасть, что зависит от числа лопастей.

В результате большая часть лопастей ротора принимают кинетическую энергию как от наружной части потока, так и от потока прошедшего через внутреннюю часть ротора.

Разное соотношение длин плеча 13 (меньшей длины) и плеча 14 (большей длины) лопастей обусловлено необходимостью пропорционально уменьшить сопротивление потоку части лопастей 8, 9, 10 ротора, перемещающихся навстречу потока. Это объясняется тем, что открывшиеся под поток, например, лопасти 7 и 2, своими короткими плечами 13 рычагов через тяги 15 и опоры 16 воздействуют также на большие по длине наружные плечи 14 рычагов лопастей 9 и 10, вызывая их только частичное отклонение навстречу потока V. Если бы наружные и внутренние плечи рычагов были равной длины, то углы раскрытия лопастей с левой стороны ротора, идущие под поток и углы раскрытия лопастей с правой стороны ротора, идущие навстречу потока, были бы равны и КПД установки снизился.

На чертеже изображено мгновенное положение лопастей в пространстве при наличии потока V. Из десяти лопастей в данной конструкции в неопределенном переходном состоянии может находиться только лопасть 3. Лопасти 1, 2, 4, 5, 6, 7 полностью задействованы в работу, создавая положительный суммарный вращающий момент по часовой стрелке относительно центральной оси 17. Частично положительный момент создает и закрывающаяся лопасть 8. Незначительный отрицательный противодействующий момент могут создавать только проекции поверхностей лопастей 9 и 10, движущихся навстречу потока.

Таким образом, при принудительной установке лопастей в приеме кинетической энергии от внутренней и наружной частей потока будет задействовано большинство лопастей, находящихся в раскрытом состоянии, что эквивалентно увеличению суммарной длины лопасти ротора, его активной суммарной поверхности для улавливания энергии потока и увеличению КПД роторного ветрогидролвигателя.

В результате выполнения данной работы был изготовлен макет роторного ветрогидродвигателя с принудительной установкой лопастей (12 штук), диаметром 180 мм, высотой 200 мм, подтвердивший заявляемые результаты (фиг.2: фотография макета).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ЗАЯВКИ

1. Описание к евразийскому патенту ЕА 003784 В1 от 28.08.2003 г., МПК F03D 3/06 «Ветроэнергетический агрегат и ветроэлектростанция» (аналог).

2. Описание изобретения к патенту РФ 2352809, МПК F03D 3/04, «Ветроэнергетический агрегат Болотова» (аналог).

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1000584, МПК F03D 3/02 «Ветродвигатель» (аналог).

4. Описание изобретения к патенту РФ 81774, МПК F03D 3/00 «Ветродвигатель» (аналог).

5. Патент Франции 2286954, кл. F03D 3/04, опубл. 1976 г.

6. Описание изобретения к патенту РФ 2057969., МПК F03D 3/00 «Карусельное ветроколесо» (аналог).

7. Описание изобретения к патенту РФ 2069795, МПК F03D 3/00 «Ветроколесо» (аналог).

8. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1017814, МПК F03D 3/00, «Карусельное ветроколесо» (аналог).

9. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1663226, МПК F03D 3/06, «Ветроколесо» (аналог).

10. Описание патента РФ на полезную модель 34653, МПК F03B 3/12 «Ротор Хвост дельфина» (аналог).

11. Заявка Великобритании 2119025, кл. F03D 3/00, опубл. 1983 г.

12. 3аявка Японии JP 2006336630 A, 14.12.2006 г.

13. Патент США 3743848, кл. 290/55, опубл. 1973 г.

14. Описание патента РФ на полезную модель 55884, МПК F03B 3/12 «Ветрогидродвигатель» (прототип).

Роторный ветрогидродвигатель с принудительной установкой лопастей, содержащий закрепленный на оси ротор с дисками, на периферии которых на своих осях закреплены лопасти с рычагами, имеющие возможность поворота лопастей вовнутрь и наружу ротора, гибкие тяги и поворотные опоры для них, отличающийся тем, что рычаги лопастей выполнены двухплечевыми с расположением меньшего плеча рычага вовнутрь, а большего плеча рычага - наружу ротора, причем гибкие тяги через поворотные опоры подсоединены между большим по длине плечом рычага предыдущей лопасти и меньшим по длине плечом рычага последующей лопасти по направлению вращения роторного ветрогидродвигателя.