RU160368U1

RU160368U1 - TAPE-SCREW WIND ROTOR

Info

Publication number: RU160368U1
Application number: RU2014138764/06U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Завьялов; Юрий Гурьевич Пролиско; Владимир Михайлович Тимофеев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова"
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-03-20

Abstract

Ленточно-винтовой ветроротор, содержащий ленточно-винтовую поверхность в виде косого геликоида, закрепленную спицами к ступице, выполненной в виде трубы и соединенной со штоком подшипниковыми узлами, так что образуется свободное пространство между внутренним диаметром ленточно-винтовой поверхности и ступицей, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, две ленточно-винтовые лопасти, расположенные в осевой симметрии n-го порядка и образующие воронкообразную геликоидную двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность.Tape-screw wind rotor containing a tape-screw surface in the form of an oblique helicoid, fixed with needles to the hub, made in the form of a pipe and connected to the rod by bearing assemblies, so that free space is formed between the inner diameter of the tape-screw surface and the hub, characterized in that contains at least two band-screw blades located in axial symmetry of the nth order and forming a funnel-shaped helicoid of two or more inlet band-screw surfaces.

Description

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, в частности к ветророторам, преобразующим энергию движения потока воздуха (ветра) в механическую энергию вращения вала.The utility model relates to the field of wind energy, in particular to wind rotors that convert the energy of movement of the air flow (wind) into mechanical energy of rotation of the shaft.

Известен ветроротор Дарье (частный случай - ветроротор Горлова), который содержит две и более аэродинамические лопасти, закрепленные на радиальных балках. На каждой из лопастей, движущихся относительно потока воздуха (ветра), действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между вектором скорости потока и мгновенной скорости крыла. При этом коэффициент использования ветра достигает 0,35.The Daria wind rotor is known (a special case is the Gorlov wind rotor), which contains two or more aerodynamic blades mounted on radial beams. On each of the blades moving relative to the air (wind) flow, a lifting force acts, the magnitude of which depends on the angle between the flow velocity vector and the instantaneous wing speed. In this case, the wind utilization coefficient reaches 0.35.

Недостатком данного ветроротора является относительно низкая эффективность преобразования энергии ветрового потока. Конструкция ветроротора ограничивает скорость вращения ротора из-за проявления значительных центробежных сил, воздействующих на лопасти. Проявление переменного момента вращения приводит к постоянным срывам (дроблению) потока и возникновению вибрации из-за постоянно изменяющегося угла между лопастями и набегающим потоком воздуха (ветром).The disadvantage of this wind rotor is the relatively low efficiency of energy conversion of the wind flow. The design of the wind rotor limits the speed of rotation of the rotor due to the manifestation of significant centrifugal forces acting on the blades. The manifestation of a variable moment of rotation leads to constant stalls (crushing) of the flow and the occurrence of vibration due to the constantly changing angle between the blades and the incoming air flow (wind).

Известны ветророторы шнекового типа с вертикальной или наклонной осью вращения (например, авторское свидетельство СССР №1225912 от 03.05.1983, патент на изобретение РФ №2101559 от 12.04.1995, патент на изобретение РФ №2101558 от 12.04.1995 и др.), которые содержат внутреннюю ступицу, к которой вплотную присоединены винтовые (ленточные) лопасти, выполненные в виде шнека. При этом коэффициент использования ветра составляет 0,24.Known auger type wind rotors with a vertical or inclined axis of rotation (for example, USSR author's certificate No. 1225912 of 05/03/1983, patent for the invention of the Russian Federation No. 2101559 of 04/12/1995, patent for the invention of the Russian Federation No. 2101558 of 04/12/1995, etc.), which contain an inner hub, to which screw (band) blades made in the form of a screw are closely connected. Moreover, the wind utilization factor is 0.24.

Недостатком данных ветророторов является низкая эффективность преобразования энергии ветрового потока. Массивная внутренняя ступица, тормозящая набегающий поток воздуха (ветер), уменьшает его полезное воздействие на активную поверхность винтовой лопасти.The disadvantage of these wind rotors is the low efficiency of energy conversion of the wind flow. The massive inner hub, inhibiting the incoming air flow (wind), reduces its beneficial effect on the active surface of the helical blade.

Известен ветрогенератор (патент DE №19701048 от 15.01.1997 г.), который содержит ленточно-винтовую поверхность, ступицу и крепежные узлы, при этом ленточно-винтовая поверхность закреплена на ступице, которая зафиксирована к опоре крепежными узлами.A wind generator is known (DE patent No. 19701048 dated January 15, 1997), which comprises a tape-screw surface, a hub and fixing units, wherein the tape-screw surface is fixed to the hub, which is fixed to the support by fixing units.

Недостатком данного устройства является сложность балансировки в результате осевой несимметрии. Дисбаланс при вращении ротора затрудняет его регулирование и снижает эффективность преобразования энергии ветрового потока.The disadvantage of this device is the difficulty of balancing as a result of axial asymmetry. The imbalance in the rotation of the rotor makes it difficult to regulate and reduces the efficiency of energy conversion of the wind flow.

Известен ветроротор, принятый в качестве прототипа (патент РФ №111894 на полезную модель от 23.06.2011 г.), который содержит вращающуюся ленточно-винтовую поверхность, ступицу, спицы, и не вращающийся шток и подшипниковые узлы, при этом ленточно-винтовая поверхность соединяется со ступицей с помощью основных спиц, а ступица соединена со штоком при помощи подшипниковых узлов.Known wind rotor adopted as a prototype (RF patent No. 111894 for utility model dated 06.23.2011), which contains a rotating tape-screw surface, hub, spokes, and a non-rotating rod and bearing assemblies, while the tape-screw surface is connected with the hub using the main knitting needles, and the hub is connected to the rod using bearing assemblies.

Недостатком данного ветроротора является сложность балансировки в результате осевой несимметрии. К дисбалансу приводит расположение ленточно-винтовой поверхности относительно центральной ступицы и оси вращения, что ухудшает условия ее ометания.The disadvantage of this wind rotor is the difficulty of balancing as a result of axial asymmetry. The imbalance results in the location of the tape-screw surface relative to the central hub and the axis of rotation, which worsens the conditions of its throwing.

Технические результаты заявленной полезной модели заключаются в улучшении условий балансировки ветроротора и повышении эффективности преобразования ветровой энергии за счет увеличения воронкообразности ленточно-винтовой поверхности и обеспечении осевой симметрии расположения лопастей относительно ступицы и оси вращения.The technical results of the claimed utility model consist in improving the conditions for balancing the wind rotor and increasing the efficiency of converting wind energy by increasing the funnel shape of the tape-screw surface and ensuring axial symmetry of the location of the blades relative to the hub and axis of rotation.

Для достижения указанных технических результатов устройство содержит ленточно-винтовую поверхность в виде косого геликоида, закрепленную спицами к ступице, выполненной в виде трубы и соединенной со штоком подшипниковыми узлами, так что образуется свободное пространство между внутренним диаметром ленточно-винтовой поверхности и ступицей. При этом содержит, по меньшей мере, две ленточно-винтовые лопасти, расположенные в осевой симметрии n-го порядка и образующие воронкообразную геликоидную двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность.To achieve these technical results, the device contains a tape-helical surface in the form of an oblique helicoid, fixed with needles to the hub, made in the form of a pipe and connected to the rod by bearing units, so that free space is formed between the inner diameter of the tape-screw surface and the hub. It contains at least two band-screw blades located in axial symmetry of the n-th order and forming a funnel-shaped helicoid of two or more inlet band-screw surfaces.

Полезная модель поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 1.The utility model is illustrated by the block diagram shown in FIG. one.

Ленточно-винтовой ветроротор содержит:Tape-screw wind rotor contains:

1 - вогнутая двух и более заходная ленточно-винтовая поверхность, выполненная из плоской ленты в виде косого геликоида;1 - concave two or more inlet tape-screw surface made of a flat tape in the form of an oblique helicoid;

2 - ступица, выполненная в виде тонкостенной трубы;2 - a hub made in the form of a thin-walled pipe;

3 - спицы;3 - knitting needles;

4 - шток;4 - stock;

5 - подшипниковые узлы.5 - bearing units.

Ленточно-винтовой ветроротор представляет собой вогнутую двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность 1, закрепленную на ступице 2 при помощи тонких спиц 3, при этом между внутренним диаметром ленточно-винтовой поверхности 1 и ступицей 2 образуется свободное пространство. Спицы 3 определяют шаг и угол закрутки ленточно-винтовой поверхности 1, а также центрируют вращающиеся элементы ветроротора относительно ступицы 2, которая соединена со штоком 4 при помощи подшипниковых узлов 5.The tape-screw wind rotor is a concave two or more inlet tape-screw surface 1, mounted on the hub 2 using thin spokes 3, while free space is formed between the inner diameter of the tape-screw surface 1 and the hub 2. The spokes 3 determine the pitch and twist angle of the tape-screw surface 1, and also center the rotating elements of the wind rotor relative to the hub 2, which is connected to the rod 4 by means of bearing assemblies 5.

Ленточно-винтовой ветроротор содержит две и более ленточно-винтовые лопасти, при этом необходимая воронкообразность обеспечивает отсутствие взаимовлияния лопастей в зоне разряжения потока воздуха и устанавливается дополнительной скруткой спиралевидной ленточно-винтовой поверхности, что обеспечивает повышение эффективности работы ветроротора.A tape-and-screw wind rotor contains two or more tape-and-screw blades, while the necessary funnel-shaped ensures the absence of mutual influence of the blades in the discharge zone of the air flow and is set by additional twisting of the spiral-like tape-screw surface, which improves the efficiency of the wind-rotor.

Ленточно-винтовые лопасти расположены в осевой симметрии n-го порядка (для двухзаходного ротора симметрия 2-го порядка характеризуется тем, что при повороте ветроротора на 180° точка на одной стороне относительно оси имеет абсолютно такую же точку на противоположной стороне) и образуют вогнутую двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность 1, охарактеризованную монотонной функцией вращения вокруг оси отрезка прямой, не пересекающуюся с осью и имеющей угол в проекциях с осью вращения не кратный 90°, что обеспечивает улучшения условия балансировки ветроротора.Tape-helical blades are located in axial symmetry of the n-th order (for a double-entry rotor, second-order symmetry is characterized by the fact that when the wind rotor is rotated 180 °, the point on one side relative to the axis has exactly the same point on the opposite side) and form a concave two and a more inlet ribbon-screw surface 1, characterized by a monotonic function of rotation around the axis of the straight line segment, not intersecting with the axis and having an angle in projections with the axis of rotation not multiple of 90 °, which provides improved conditions alansirovki vetrorotora.

Внутренняя кромка ленточно-винтовой поверхности 1 не присоединена к поверхности ступицы и имеет свободное пространство, через которое протекает воздушный поток, преодолевающий зону лопастей с подветренной стороны ветроротора.The inner edge of the tape-screw surface 1 is not attached to the surface of the hub and has a free space through which air flows, overcoming the area of the blades on the leeward side of the wind rotor.

Воронкообразность ленточно-винтовых лопастей косого геликоида вращения создает аэродинамическую подъемную силу, вектор которой в каждой точке поверхности направлен перпендикулярно поверхности лопасти и не пересекается с осью вращения ветроротора. В совокупности, все вектора подъемной аэродинамической силы направлены в одну и ту же сторону относительно оси вращения ветроротора и образуют проекцию силы, вектор которой определяет момент вращения ветроротора в заданном направлении.The funnel shape of the tape-helical blades of an oblique helicoid of revolution creates aerodynamic lifting force, the vector of which at each point on the surface is directed perpendicular to the surface of the blade and does not intersect with the axis of rotation of the wind rotor. In aggregate, all the vectors of the lifting aerodynamic force are directed in the same direction relative to the axis of rotation of the wind rotor and form a projection of the force, the vector of which determines the moment of rotation of the wind rotor in a given direction.

Поверхность ленточно-винтовой лопасти, находящейся на противоположной от наблюдателя стороне оси вращения, имеет положительный угол атаки по отношению к набегающему потоку воздуха (ветра) и максимальную подъемную силу, проекция которой определяет момент и направление вращения «заосной» стороны ветроротора.The surface of the band-screw blade located on the opposite side of the axis of rotation has a positive angle of attack with respect to the incoming flow of air (wind) and maximum lifting force, the projection of which determines the moment and direction of rotation of the “axial” side of the wind rotor.

При воздействии набегающего потока воздуха (ветра) на поверхность лопасти, находящейся на ближней к наблюдателю стороне ветроротора, угол атаки ленточно-винтовой поверхности - отрицательный, однако благодаря выпуклой поверхности лопасти и достаточному углу воронкообразности, аэродинамическая подъемная сила формирует вектор, направленный в ту же сторону вращения, образуя суммарный момент вращения.When the incident air (wind) flows on the surface of the blade located on the side of the rotor closest to the observer, the angle of attack of the belt-screw surface is negative, however, due to the convex surface of the blade and a sufficient funnel-shaped angle, the aerodynamic lifting force forms a vector directed in the same direction rotation, forming the total moment of rotation.

По результатам испытаний макетных образцов ветроротора, коэффициент использования ветра ленточно-винтового ветроротора, установленного ортогонально по отношению вектора потока воздуха (ветра) и оптимизированного углом кромок ленточно-винтовых лопастей по отношению к оси вращения и оптимальным наклоном конуса, составляет не менее 0,3. При наклоне оси вращения ветроротора на оптимальный угол по отношению к набегающему потоку воздуха (ветра) коэффициент использования ветра может достичь величины, превышающей 0,45, что обеспечивает повышение эффективности преобразования ветровой энергии.According to the results of testing prototype models of a wind rotor, the coefficient of wind utilization of a tape-screw wind-rotor installed orthogonally with respect to the air (wind) flow vector and optimized by the angle of the edges of the tape-screw blades with respect to the axis of rotation and the optimal tilt of the cone is at least 0.3. When the axis of rotation of the wind rotor is tilted at an optimal angle with respect to the incoming air flow (wind), the wind utilization factor can reach a value exceeding 0.45, which provides an increase in the efficiency of conversion of wind energy.

Таким образом, использование предложенного технического решения для преобразования энергии движения потока воздуха (ветра) в механическую энергию вращения вала за счет увеличения воронкообразности ленточно-винтовой поверхности и обеспечении осевой симметрии расположения лопастей относительно ступицы и оси вращения улучшает условия балансировки ветроротора и повышает эффективность преобразования ветровой энергии.Thus, the use of the proposed technical solution for converting the energy of the flow of air (wind) into the mechanical energy of rotation of the shaft by increasing the funnel shape of the tape-screw surface and ensuring axial symmetry of the location of the blades relative to the hub and axis of rotation improves the conditions for balancing the wind rotor and increases the efficiency of conversion of wind energy .

Claims

Tape-screw wind rotor containing a tape-screw surface in the form of an oblique helicoid, fixed with needles to the hub, made in the form of a pipe and connected to the rod by bearing assemblies, so that free space is formed between the inner diameter of the tape-screw surface and the hub, characterized in that contains at least two band-screw blades located in axial symmetry of the nth order and forming a funnel-shaped helicoid of two or more inlet band-screw surfaces.