EA015696B1

EA015696B1 - Роторный коаксиальный ветродвигатель и способ повышения кинетической энергии потока

Info

Publication number: EA015696B1
Application number: EA200900309A
Authority: EA
Inventors: Вячеслав Степанович Климов; Олег Вячеславович Климов
Original assignee: Вячеслав Степанович Климов; Олег Вячеславович Климов
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2011-10-31
Also published as: EA200900309A2; CA2647657A1; EP2075460A3; EP2075460A2; JP2009216082A; KR20090071447A; US20090167029A1; CN101532467A; EA200900309A3

Abstract

Роторный коаксиальный ветродвигатель (РКВД) наряду со своей простотой отличается от всех других подобных устройств способностью без привлечения внешней энергии, только за счет особенностей своей конструкции, повышать первоначальную естественную скорость ветрового потока, а следовательно и его кинетическую энергию и с высоким коэффициентом преобразования, значительно превосходящим аналогичный показатель всех известных устройств подобного типа, превращать эту кинетическую энергию в механическую энергию вращения.

Description

Роторный коаксиальный ветродвигатель и способ повышения кинетической энергии потока относится к ветроэнергетике и предназначены для повышения кинетической энергии потока с последующим его преобразованием в механическую энергию вращения. Известно, что качество ветродвигателей оценивается по их способности извлекать энергию из ветрового потока. Общепринятым показателем служит коэффициент использования энергии ветра, показывающий отношение извлечённой из потока энергии ко всей энергии потока, взаимодействующего с конструкцией ветродвигателя. Самые распространённые крыльчатые или пропеллерные ветродвигатели при самых благоприятных, оптимальных, соотношениях воздушного потока с конструкцией устройства способны извлечь из потока не более 0,4 части его энергии. В реальных же условиях, при непрерывном изменении ветрового потока и скорости движения воздушной массы и её направления по отношению к установке, реальный коэффициент использования энергии значительно ниже оптимального [1, с.78-87].

Известен так же роторный ветродвигатель с вертикальной осью вращения [2], рабочее тело которого сформировано силовыми элементами профиля логарифмической спирали, образующими равномерно сужающиеся к центру ротора изгибающиеся воздухозаборники. Воздушная масса потока, проходя равномерно сужающиеся изгибающиеся воздухозаборники, в силу действия закона Бернулли вынуждена увеличивать скорость своего движения, приобретая дополнительную кинетическую энергию, повышающую коэффициент использования ветрового потока.

Однако, несмотря на достигнутые результаты, непрерывно возрастающая потребность в энергии не снимает задачи повышения как коэффициента использования энергии ветрового потока, так и эффективности ветродвигателей в целом.

Целью предлагаемого изобретения является решения этих задач.

Известно, ветродвигатель воспринимает кинетическую энергию ветрового потока через силу давления воздушной массы, падающей на контур конструкции. В свою очередь, сила давления потока пропорциональна квадрату его скорости и в математическом виде определяется уравнением

где ρ - плотность воздушной массы;

V - скорость ветрового потока;

- площадь поверхности взаимодействующей с потоком;

С_х - безразмерный коэффициент [1, с.78-87; 3, с. 484-485].

Из данного уравнения следует, что наиболее действенным путём изменения силы давления ветрового потока является изменение его скорости. Эта зависимость положена в основу изобретения в качестве способа и направлена на дальнейшее развитие роторного ветродвигателя [2], взятого в качестве прототипа.

Техническое решение, обеспечивающее достижение поставленной цели и составляющее сущность изобретения, заключается в применении дополнительного автономного ротора значительно меньшего диаметра, соосно устанавливаемого вдоль оси вращения роторного ветродвигателя [2].

В результате получена новая, ранее неизвестная конструкция ветродвигателя, обозначенная авторами как роторный коаксиальный ветродвигатель. На фиг. 1 представлен предлагаемый ветродвигатель, вид в плане; на фиг. 2 - то же, в сечении. На чертежах цифрами обозначены: 1 - внешний ротор; 2 - внутренний ротор; 3 - вертикальная ось; 4 - воздухозаборник; 5 - опора.

Воздушная масса ветрового потока, получившая значительный прирост кинетической энергии за счёт увеличения скорости при прохождении равномерно сужающихся изгибающихся воздухозаборников 4, образованных силовыми элементами профиля логарифмической спирали внешнего ротора 1, падает на силовые элементы внутреннего ротора 2 и приводит его во вращение с угловой скоростью, прямо пропорциональной скорости воздушного потока, выходящего из воздухозаборников внешнего ротора.

Известно также, что угловая скорость вращения обратно пропорциональна радиусу (диаметру) вращаемой конструкции [4, с. 194-196], т.е. при одной и той же скорости ветрового потока ротор меньшего диаметра всегда будет иметь большую угловую скорость.

Суммарный эффект воздействия высокоскоростного потока на внутренний ротор небольшого диаметра сообщает этой конструкции высокую угловую скорость вращения, создающую в центре ветродвигателя вихревое движение воздушной массы с характерным согласно закона Бернулли низким давлением. Возникающий перепад давлений порождает мощную силу, вызывающую тягу потока в зону низкого давления, сообщая при этом потоку существенный прирост скорости, следовательно и кинетической энергии, величина которой, преобразованная ветродвигателем в механическую энергию, и определяет его качество.

Предложенный способ повышения кинетической энергии ветрового потока, аналога которого в ветроэнергетике при изучении патентной и технической информации не выявлено, а также техническое решение для его практической реализации не выходят за пределы известных технических и технологических возможностей, что позволило авторам в самых простых производственных условиях с использованием доступных материалов и деталей собрать действующую модель роторного коаксиального ветро

- 1 015696 двигателя и провести её испытания, результаты которого однозначно подтверждают как высокий коэффициент использования энергии ветрового потока, так и эффективность устройства в целом, в разы превосходящую аналогичный показатель всех известных ветроустановок.

Литература

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Роторный коаксиальный ветродвигатель (РКВД) с вертикальной осью вращения на основе силовых элементов профиля логарифмической спирали, отличающийся тем, что рабочее тело ветродвигателя состоит из двух автономных соосных роторов, один из которых меньшего диаметра расположен внутри внешнего ротора большего диаметра и через собственные подшипниковые узлы посажен на общую ось ветродвигателя.
2. Способ повышения кинетической энергии потока воздушной массы, взаимодействующей с конструкцией роторного коаксиального ветродвигателя (РКВД) по п.1, отличающийся тем, что составляющая кинетической энергии потока, его скорость при движении воздушной массы сквозь равномерно сужающиеся изгибающиеся воздухозаборники значительно возрастает в результате тяги потока в центр ротора, в зону низкого давления, создаваемого вращающимся с большой скоростью внутренним ротором.