Шнековый ветроротор

 

Использование: в ветроэнергетике, а именно в ветророторах, преобразующих энергию ветра во вращение ротора. Сущность изобретения: шнековый ветроротор содержит вал и закрепленные на нем винтовые лопасти. С целью увеличения энергетической эффективности винтовые лопасти выполнены воронкообразными. Образующая воронкообразной винтовой поверхности описывается монотонной функцией радиуса, частным случаем которой является косая прямая. В этом случае воронокообразная поверхность является косым геликоидом. При определенных геометрических параметрах косой геликоид разворачивается в плоскость. Тогда воронкообразная винтовая лопасть может быть выполнена из плоской кольцевой заготовки. Ветроротор с воронкообразными винтовыми лопастями в наклонном положении имеет большую эффективность по сравнению со шнековым ветроротором с прямыми винтовыми лопастями. Кроме того, он может работать в вертикальном положении и не зависеть от направления ветра. По сравнению с другими вертикальными ветророторами он имеет более высокую энергетическую эффективность: более высокий, чем у ветроротора Савониуса коэффициент использования энергии ветра и большую, чем у Дарье-подобных ветророторов выработку энергии при малых скоростях, а также менее напряженную конструкцию и создает меньшие акустические, электромагнитные и экологические воздействия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветророторам, преобразующим энергию ветра во вращение ротора.

Известен ветроротор Савониуса [1] содержащий вертикальный вал и установленные вдоль него лопасти, которые в нормальном с оси ротора сечении имеют s-образную форму. Вращающий момент возникает за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Ветроротор Савониуса относится к классу тихоходных с быстроходностью z 1 [2] Коэффициент использования энергии ветра такого ротора низок: 0,1-0,15.

Известны ветророторы Дарье [2] и Дарье-подобные роторы конструкции "Гидропроекта" [3] которые содержат вертикальный вал, соединенные с валом и отдаленные от него продольные узкие лопасти, плоскость которых составляет острый угол с плоскостью, касательной к поверхности ротора. Вдоль своей длины лопасти могут быть прямолинейными (ветророторы "Гидропроекта" или дугообразными (ветроротор "Дарье").

Эти роторы относятся к классу быстроходных с быстроходностью z 6, а коэффициент использования энергии ветра достигает 0,3-0,35 [2] Недостатком этих роторов являются высокие центробежные нагрузки в связи с большой скоростью вращения. В этих конструкциях возникают большие изгибающие моменты в лопастях и узлах присоединения лопастей к валу. Кроме того, происходит изменение условий обтекания лопасти потоком в течение одного оборота, циклически повторяющееся миллионы раз. Это вызывает усталостные явления и приводит к разрушению элементов ротора и серьезным авариям. Цикличность взаимодействия лопастей с воздушным потоком приводит к генерации акустических колебаний, т.е. к аэродинамическому шуму, который препятствует использованию ветророторов в населенных зонах. Цикличность работы создает цикличность изменения электромагнитных характеристик пространства (электрической и магнитной проницаемости), что приводит к модуляции электромагнитных волн и нарушению радио- и телесигналов. Все эти недостатки, исключая те, которые вызваны быстроходностью, присущи и ротору Савониуса. Дополнительно Дарье-подобные роторы за счет большой скорости лопастей и слабой затемненности контура вращения уничтожают птиц, попадающих в зону вращения ротора.

Известен ветроротор шнекового типа [4] принятый за прототип, который содержит вал и соединенные с ним прямые винтовые лопасти, которые в нормальном к оси ротора разрезе имеют направленные по радиусу сечения. Математическая форма таких винтовых поверхностей является прямым геликоидом и описывается параметрической системой уравнений [5] Недостатком шнекового ротора с прямыми винтовыми лопастями является то, что он работает в наклонном положении, поэтому требует специальной поддерживающей конструкции, и эффективность его зависит от направления ветра, вследствие чего уменьшается эффективность использования ветровой энергии. Кроме того, прямой геликоид является поверхностью двойной кривизны и не развертывается в плоскость [6] Поэтому его необходимо изготавливать из большого количества плоских секторов либо подвергать штамповке, что приводит к увеличению стоимости ветроротора.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности использования энергии ветра, упрощение конструкции и технологии изготовления шнекового ротора.

Для решения технической задачи в шнековом роторе, содержащем вал и закрепленные на нем винтовые лопасти, последние выполнены воронкообразными с декартовыми координатами точек поверхности где ось z направлена вдоль оси ветроротора; r радиус расстояние от точки до оси ветроротора; v полярный угол в поперечном сечении ветроротора; S шаг винта; f(r)- монотонно растущая функция радиуса.

Воронкообразные винтовые лопасти могут быть выполнены в виде косого геликоида, который описывается формулами f(r) = (r-r₁)ctg(); = arcsin((r₂-r₁)/h), где r₁ и r₂ внутренний и наружный радиусы шнекового ветроротора;
угол между осью и образующей косого геликоида;
h высота винтовой лопасти.

Высота лопасти косого геликоида рассчитывается по формуле

В этом случае воронкообразная винтовая лопасть может быть выполнена из плоского кольца с внутренним радиусом

Кроме того, шнековый ветроротор может быть установлен вертикально. В этом случае его работа не зависит от направления ветра.

На фиг.1 схематически представлен фронтальный вид шнекового ветроротора с воронкообразными винтовыми лопастями; на фиг.2 в двух проекциях (фронтальный вид и вид сверху) представлены изображения геликоидов: а) прямого; б) воронкообразного; в) косого. Длина геликоидов равна шагу винта s.

Шнековый ветроротор установлен вертикально и содержит вал 1 и закрепленные на нем воронкообразные винтовые лопасти 2 (на фиг.1 показан трехзаходный шнек). Вал 1 ветроротора сопряжен с мачтой 3 через подшипниковые опоры: верхнюю 4 и нижнюю 5, в которых ветроротор имеет возможность вращаться. Мачта 3 установлена в шарнире 6 и закреплена растяжками 7. Вращение от вала 1 через передачу 8, мультипликатор 9 передается электрогенератору 10. В местностях с неизменным направлением ветра ветроротор может использоваться в наклонном положении 11.

В прямом геликоиде (фиг. 2,а) образующая 12 направлена по радиусу. Он, как известно [5] описывается формулами

где x, y, z декартовы координаты точек винтовой поверхности, причем ось z направлена вдоль оси ротора;
r радиус расстояние от точки до оси ветроротора;
v полярный угол в поперечном сечении ветроротора;
S шаг винта.

В процессе изменения угла v координата z согласно формуле (I) изменяется пропорционально v и одинакова для всех точек образующей, поэтому все образующие в полученной поверхности горизонтальны. На фиг.2,а-в показан порядок построения геликоидов. Фронтальная и горизонтальная проекции разбиты на одинаковое число частей. Нечетными меленькими цифрами 1,3,5, (фиг.2,а) показаны проекции точки образующей на внешней стороне геликоида, четными цифрами 2,4, точки на внутренней стороне геликоида. Площади поверхностей на фронтальном виде равны слева и справа от оси и кривизна их одинакова. Поэтому при горизонтальном ветре вращающий момент слева и справа от оси одинаковы и ротор не вращается. Таким образом, если ветер v направлен перпендикулярно к оси ротора ( a 90^o), то вследствие симметричного расположения частей лопастей по обеим сторонам оси ротора вращающий момент уравновешивается и ротор не вращается. Если угол между осью ротора и ветром уменьшается ( a <90), то части лопастей с одной стороны оси ротора разворачиваются ребром к ветру, а с другой плоскостью, вследствие чего вращающий момент от второй стороны превосходит вращающий момент от первой и ротор начинает вращаться. При некотором угле a_opt который зависит от длины ротора L и шага S, вращающий момент достигает максимума, а с дальнейшим уменьшением ( 0) вращающий момент уменьшается до некоторой величины. В связи с этим такой шнековой ротор с винтовыми лопастями, имеющими профиль (1) прямого геликоида, используют в наклоненном положении.

Воронкообразная винтовая поверхность (фиг.2,б) описывается формулами

где ось z направлена вдоль оси ротора;
r- радиус расстояние от точки до оси ветроротора;
v полярный угол в поперечном сечении ветроротора;
S шаг винта;
f(r)- монотонная функция радиуса.

На фиг.2,б показан воронкообразный геликоид, где образующая 13 является монотонной функцией радиуса z₀= f(r), например,
f(r) c(r r₁)ⁿ,(3)
где c и n -любые числа, например, c 0,1; 0,3; 1,5; n0,5; 1; 2;), r₁радиус внутренней границы геликоида. В процессе изменения угла v координата z согласно формуле (2) разная для точек образующей 13, находящихся на разных радиусах. Например, на внутреннем радиусе воронкообразного геликоида точки образующей обозначены маленькими цифрами 3, 6, 9. Для этих же образующих средние точки 2, 5, 8 имеют большие координаты z, а у наружных точек образующих 1, 4, 7 координаты z еще больше. Таким образом, винтовые линии точек геликоида на разных радиусах сдвинуты вдоль оси z. Поэтому винтовая поверхность становится несимметричной относительно плоскости, перпендикулярной к оси геликоида, т.е. приобретает воронкообразность (фиг.2,б, фронтальный вид). Вследствие воронкообразности при равенстве площадей поверхности слева и справа от оси их кривизны не одинаковы. При правой намотке винта, как показано на фиг.2, с левой стороны поверхность выпуклая, а с правой в основном вогнутая. Поэтому правая сторона будет сильнее взаимодействовать с ветровым потоком, вследствие чего возникает вращающий момент, направленный в правую сторону. Ветроротор (фиг.1, здесь ось z направлена вниз), образованный валом 1 и несколькими такими воронкообразными геликоидами 2, с одной стороны, от оси будет иметь вогнутые поверхности, а с другой выпуклые, за счет чего и будет приводиться во вращение в направлении вогнутых поверхностей. При использовании ветроротора в наклонном к ветру положении 11 за счет воронкообразности лопастей его эффективность будет неодинакова: в направлении ветра v (фиг. 1) эффективность его больше, чем в обратном, причем эффективность в этом направлении превышает эффективность наклонного шнекового ротора с прямыми винтовыми лопастями.

В частном случае воронкообразного геликоида (фиг.2,в) образующей является косая прямая 14, составляющая с осью геликоида угол g Такой геликоид называется косым. Он дополнительно описывается формулами
f(r) = (r-r₁)ctg(); = arcsin((r₂-r₁)/h),
где r₁ и r₂ внутренний и наружный радиусы шнекового ротора;
h высота винтовой лопасти.

Косой геликоид является частным случаем воронкообразного геликоида, например, при описании его с помощью формулы (3) косой будет при c ctg () и n=1. На фиг.2,в точки 1, 3, 5 образующей 14 на внешнем радиусе геликоида расположены выше точек 2, 4, 6 на внутреннем радиусе. Поэтому он, как и геликоид на фиг 2,б, имеет воронкообразную форму с вогнутыми поверхностями справа от оси и выпуклыми слева. В общем случае прямой, воронкообразный и косой геликоиды не могут быть развернутыми в плоскость [6] Однако имеется один частный случай для косого геликоида, когда это возможно. В этом случае высота винтовой лопасти должна рассчитываться по формуле

Тогда геликоидные лопасти могут быть выполнены из плоского кольца с внутренним радиусом

и наружным
r_2c= r_1c + h.(6)
Внутренняя поверхность кольца радиусом r_1c будет стыковаться с валом радиусом r₁ по внутренней винтовой линии, т.к. выражение (5) для радиуса кольца r_1c, как известно, является радиусом кривизны внутренней винтовой линии геликоида. А наружный радиус кольца r_2c будет образовывать наружную поверхность геликоида радиусом r₂. С целью проверки рассчитаем длины окружностей кольца: внутренней l_1c и наружной l_2c и длины винтовых линий геликоида с длиной, равной шагу s: внутренней l₁ и наружной l₂ при параметрах (4)-(6):

Теперь определим, во сколько раз длина окружности кольца больше длины винтовой линии (внутри k₁ и снаружи k₂):

То есть k₁= k₂ k. Т.к. радиус r₂ взят произвольно, то этот результат справедлив для всех радиусов геликоида. Таким образом, по всем винтовым линиям поверхность косого геликоида с параметрами (4)-(6) укладывается одинаковое число раз в окружности кольца. Как видно из формулы (10), из кольца с параметрами (4)-(6) можно изготовить поверхность геликоида длиной, большей одного шага. При необходимости можно собирать геликоид из секторов такого кольца.

Шнековый ветроротор (фиг.1) работает следующим образом. При направлении ветра v нагрузку воспринимают расположенные слева от оси вогнутые участки лопастей (на фиг. 1 показан трехзаходный воронкообразный геликоид с правой навивкой и направленной вниз остью z), вследствие этого возникает направленный влево вращающий момент. При смене направления ветра момент не изменяется. Ветроротор вращается в подшипниковых опорах 4 и 5 и через передачу 8 вращение от него передается мультипликатору 9, а затем электрогенератору 10. Ветроротор может монтироваться в горизонтальном положении, соединяться внизу с шарниром 6, затем с помощью растяжек 7 и дополнительной стойки (падающей стрелы, на фиг.1 не показана) известными методами подниматься в вертикальное положение. В местностях с неизменным направлением ветра ветроротор может использоваться в наклонном положении так, чтобы ось z составляла с ветром тупой угол (на фиг.1, положение II). В этом случае воронкообразные винтовые лопасти как бы захватывают ветровой поток. В наклонном положении шнековый ветроротор с воронкообразными лопастями можно использовать и в ориентируемых конструкциях, как используется шнековый ротор с прямыми лопастями, но эффективность его будет большая, нежели у прямого.

Участки винтовых лопастей шнекового ротора имеют острый угол атаки с набегающим потоком и вращающий момент создается как за счет разности сопротивления лопастей по обеим сторонам ротора, так и за счет подъемных сил. Вследствие этого коэффициент использования энергии ветра повышается в сравнении с ротором Савониуса. Кроме того, в течение оборота в шнековом роторе нет перерывов взаимодействия лопастей с ветровым потоком в направлении вращения, вследствие чего эффективность увеличивается дополнительно до величин 0.3, как для многолопастных ветроколес [2]
Находящиеся под ветровой нагрузкой участки винтовой лопасти поддерживаются соседними по длине участками лопастей, поэтому напряжения от центробежных и изгибающих нагрузок в лопасти в шнековом роторе значительно меньше (на 1-2 порядка).

В течение одного оборота с ветровым потоком взаимодействует практически одна и та же величина площади поверхности винтовых лопастей (изменяются лишь разные участки лопастей). Поэтому по сравнению с роторами Савониуса и Дарье шнековый ветроротор с воронкообразными винтовыми поверхностями характеризуется высокой плавностью работы, отсутствием вибрации и усталостной нагрузки, вызванных цикличностью работы, значительно меньшими акустическими и электромагнитными помехами и пониженным воздействием на птиц и других животных (отсутствуют вибрации для грызунов и шум для наземных). Заявляемый ветроротор испытывает меньшие изгибающие и центробежные нагрузки, особенно по сравнению с ветроротором Дарье и Дарье-подобными роторами. В сравнении с ротором Савониуса он имеет больший коэффициент использования энергии ветра, а по сравнению с быстроходными Дарье-подобными ветророторами, у которых малый начальный вращающий момент, заявляемый ветроротор имеет большую выборку энергии при малых скоростях. По сравнению со шнековым ротором с прямыми винтовыми лопастями заявляемый ветроротор имеет большую эффективность в наклонном положении, более простую технологию изготовления (в случае выполнения в соответствии с формулами (4)-(6), может использоваться в вертикальном положении, что конструктивно упрощает ветроустановку и позволяет более эффективно использовать энергию ветра независимо от его направления.

Было выполнено несколько шнековых ветророторов с воронкообразными винтовыми лопастями, имеющих диаметры D₂ и длину L:
трехзаходный ветроротор с D₂=147 мм, L=690 мм, по формулам (4)-(6);
трехзаходный ветроротор с D₂=200 мм, L=920 мм, (воронкообразная винтовая поверхность образовалась пятью секторами на один шаг);
трехзаходный ветроротор с D₂=184 мм, L=920 мм, по формулам (4)-(6);
двухзаходный ветроротор с D₂=200 мм, по формулам (4)-(6) (винтовая поверхность образована тремя секторами на один шаг);
а также другие вертороторы, в том числе и с прямыми винтовыми лопастями. Эти четыре ротора имели разную воронкообразность. Все они под воздействием ветрового потока хорошо вращались в вертикальном положении. Особенно эффективно работа воронкообразных винтовых ветророторов выглядела по сравнению с наклонными ветророторами с прямыми геликоидными лопастями при неустойчивом по направлению ветре. Воронкообразные винтовые ветророторы несмотря на неустойчивый ветер вращались практически равномерно, в то время как у наклонных неориентируемых вращение было переменчиво, а наклонные ориентируемые постоянно изменяли свое положение.

Ветророторы с прямыми винтовыми лопастями и ветроротор с воронкообразными лопастями N1 продувались в аэродинамической трубе. В результате продувки было установлено, что в наклонном положении коэффициент использования энергии ветра x ветроротора N1 в 1,34 раза больше, чем для ветроротора с прямыми винтовыми лопастями. Поэтому заявляемый ветроротор имеет большую энергетическую эффективность как в вертикальном, так и в наклонном положении.

Источники информации:
1. Зубарев В.В. Минин В.А. Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л. Наука,1989,с.208(см.с.9).

2. Ветроэнергетика.Под ред. Д.Рензо. Пер. В.В.Зубарева, М.О. Франкфурта под ред. Я.И.Шефтера.-М. Энергоатомиздат,1982,с.272 (см. с. 44, рис. 1.22).

3. Зубарев В.В. Мишин В.А. Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера.-Л. Наука,1989,с.208(см. с. 32).

4. Патент России 1225912,4 МКИ F 03 D 5/00, 1986.

5. Математический энциклопедический словарь.-М. Советская энциклопедия, 1988,848 с. (см.с. 141).

6. Гордон В.О. Семенцов-Огиевский М.А. Курс начертательной геометрии. - М. Наука,1988,с.272 (см. с. 160).

Формула изобретения

1. Шнековый ветроротор, содержащий вал и закрепленные на нем винтовые лопасти, отличающийся тем, что винтовые лопасти выполнены воронкообразными с декартовыми координатами точек поверхности

где ось Z направлена вдоль оси ветроротора;
r радиус, расстояние от точек до оси ротора;
v - полярный угол в поперечном сечении ветроротора;
S шаг винта;
f(r) монотонная функция радиуса.

2. Ветроротор по п. 1, отличающийся тем, что воронкообразные винтовые лопасти выполнены в виде косого геликоида и описывается формулами
f(r) = (r-r₁)ctg();
= arcsin((r₂-r₁)/h),
где r₁ и r₂ внутренний и наружный радиусы ветроротора;
- угол между осью и образующей косого геликоида;
h высота винтовой лопасти, рассчитываемая по формуле

при этом лопасть выполнена из плоского кольца с внутренним радиусом

и наружным радиусом
r_2c r_1c + h.

3. Ветроротор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ветроротор установлен вертикально.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2