RU2039885C1

RU2039885C1 - Wind motor

Info

Publication number: RU2039885C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Яковлевич Егоркин
Original assignee: Юрий Яковлевич Егоркин
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: wind power engineering. SUBSTANCE: wind motor has two rotors with parallel vertical axles housed in the rotatable frame. Each rotor is constructed as a cylinder with disks at its end faces and provided with flexible blades, the trailing edges of the blades being secured to the outer surface of the cylinder at an inclination. The rotors are made up as hollow inflatable cylinders made of non-penetrable high-strength resilient material. The rotors are arranged at a distance from each other to provide rotation in opposite directions and automatic orientation in the direction of wind. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для создания гидроэнергетических стационарных и передвижных установок в качестве движителя для морских и сухопутных транспортных средств, в том числе спортивных, в производстве игрушек и т.п. The invention relates to hydropower and can be used to create hydropower stationary and mobile units as a mover for marine and land vehicles, including sports, in the manufacture of toys, etc.

Известен ветродвигатель, содержащий размещенные в каркасе с возможностью вращения два ротора с параллельными вертикальными осями, выполненные в виде лопастей специальной формы, при этом роторы и каркас при взаимодействии устройства с ветром вращаются в одну сторону. Known wind turbine containing placed in the frame with the possibility of rotation of two rotors with parallel vertical axes, made in the form of blades of a special shape, while the rotors and frame when the device interacts with the wind rotate in one direction.

Недостатками ветродвигателя являются малая эффективность работы лопастей, связанная с малым разностным сопротивлением, сложность конструкции ротора-лопасти, асимметрия ротора относительно его оси вращения, что требует особого внимания к прочности конструкции. The disadvantages of the wind turbine are the low efficiency of the blades associated with low differential resistance, the complexity of the design of the rotor-blades, the asymmetry of the rotor relative to its axis of rotation, which requires special attention to the strength of the structure.

Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение КПД, осуществление автоматической ориентации ветродвигателя на потребление максимальной мощности потока и на минимальное аэродинамическое сопротивление ему, расширение области применения путем формирования вращающимися роторами двух противоположно закрученных вихрей, взаимодействующих с набегающим потоком. The aim of the invention is to simplify the design, increase efficiency, implement the automatic orientation of the wind turbine on the consumption of maximum flow power and minimum aerodynamic resistance to it, expanding the scope by forming rotary rotors of two oppositely swirling vortices interacting with the incoming flow.

Цель достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем два ротора с параллельными вертикальными осями, размещенные в поворотном каркасе, каждый ротор выполнен в виде цилиндра с дисками по торцам, диаметр которых больше диаметра цилиндра, снабжен гибкими лопастями, закрепленными без зазора задними кромками на наружной поверхности цилиндра под острыми углом к ней, вертикально и симметрично относительно оси ротора, а верхними и нижними кромками к соответствующим выступающим за диаметр цилиндра поверхностям дисков, при этом роторы установлены друг от друга на расстоянии, обеспечивающем возможность их вращения в противоположных направлениях, а также тем, что роторы выполнены в виде полых, надувных герметичных цилиндров из непроницаемого, прочного, эластичного материала. The goal is achieved in that in a wind turbine containing two rotors with parallel vertical axes, placed in a rotary frame, each rotor is made in the form of a cylinder with disks at the ends, the diameter of which is larger than the diameter of the cylinder, equipped with flexible blades fixed without a gap by the rear edges on the outer surface the cylinder at an acute angle to it, vertically and symmetrically relative to the axis of the rotor, and the upper and lower edges to the corresponding surfaces of the disks protruding beyond the cylinder diameter, while the rotors are mounted enes from each other at a distance that ensures the possibility of rotation in opposite directions, and in that the rotors are in the form of hollow, inflatable airtight cylinder of an impermeable, durable, flexible material.

На фиг.1 изображен ветродвигатель; на фиг.2 и 3 показано взаимодействие ветродвигателя с набегающим потоком, поясняющее принцип автоматической ориентации его в пространстве. Figure 1 shows a wind turbine; figure 2 and 3 shows the interaction of the wind turbine with the incoming flow, explaining the principle of automatic orientation in space.

На мачте 1 ветродвигателя (фиг.1) на опорных подшипниках 5 закреплен подвижный каркас 2, в котором установлены роторы 3. Кроме того, на мачте ниже подвижного каркаса закреплен на подшипниках трубчатый вал 10 со шкивом. Вращение роторов на трубчатый вал передается с помощью гибкой передачи 9. Каждый из роторов имеет герметичный корпус из непроницаемого, прочного, эластичного материала, выполненного в виде цилиндра, ограниченного сверху и снизу дисками, имеющими диаметры, несколько большие диаметров цилиндра. Вдоль корпуса на внешней цилиндрической поверхности симметрично относительно оси вращения закреплены гибкие лопасти 4 под острым углом к поверхности. Концы лопастей закреплены на выступающих за боковую поверхность цилиндра поверхностях дисков 6, а задняя кромка лопасти закреплена без зазора на наружной поверхности цилиндра с помощью клея или иным способом. По центру дисков 6 установлены валики 8, которые смонтированы в подшипниках 7 подвижного каркаса 2, при этом валики 8, установленные на нижних основаниях роторов, выходят за рамку подвижного каркаса и имеют на концах шкивы, благодаря которым вращение с роторов передается через гибкую передачу 9 на трубчатый вал 10. Кроме того, нижние валики 8 могут быть выполненными полыми, имеющими ниппеля для создания и поддерживания внутри цилиндров давления, обеспечивающего роторам необходимую жесткость. On the mast 1 of the wind turbine (Fig. 1), the movable frame 2, in which the rotors 3 are mounted, is fixed on the bearings 5. In addition, a tubular shaft 10 with a pulley is mounted on the bearings below the movable frame. The rotation of the rotors to the tubular shaft is transmitted using a flexible gear 9. Each of the rotors has a sealed housing made of impermeable, strong, elastic material, made in the form of a cylinder, bounded above and below by disks having diameters slightly larger than the diameters of the cylinder. Flexible blades 4 are fixed along the casing on the outer cylindrical surface symmetrically with respect to the axis of rotation 4 at an acute angle to the surface. The ends of the blades are fixed on the surfaces of the disks 6 protruding beyond the lateral surface of the cylinder, and the trailing edge of the blades is fixed without a gap on the outer surface of the cylinder with glue or in another way. In the center of the disks 6, rollers 8 are installed, which are mounted in the bearings 7 of the movable frame 2, while the rollers 8, mounted on the lower bases of the rotors, extend beyond the frame of the movable frame and have pulleys at the ends, due to which the rotation from the rotors is transmitted through a flexible gear 9 to tubular shaft 10. In addition, the lower rollers 8 can be hollow, having nipples to create and maintain pressure inside the cylinders, providing the rotors with the necessary rigidity.

Подвижный каркас 2, выполненный в виде жесткой прямоугольной рамки или иной конструкции, устанавливается на вертикальной мачте 1 на опорных подшипниках 5, благодаря чему он может свободно поворачиваться под действием потока вокруг мачты, при этом как мачта, так и каркас могут быть собраны из отдельных элементов. The movable frame 2, made in the form of a rigid rectangular frame or other design, is mounted on a vertical mast 1 on support bearings 5, so that it can freely rotate under the action of flow around the mast, while both the mast and the frame can be assembled from separate elements .

Ветродвигатель работает следующим образом. The wind turbine operates as follows.

Под действием набегающего потока на лопасти 4 роторов 3 последние начинают вращаться, каждый вокруг собственной оси вращения в противоположных направлениях (фиг. 2). Это вращение через валики 8 со шкивами и гибкие передачи 9 передается на трубчатый вал 10. Гибкие передачи смонтированы таким образом, что роторы 3 вращают вал 10 в одну сторону. В целом механизм передачи вращения с роторов на трубчатый вал 10 позволяет подвижному каркасу 2 вместе с вращающимися роторами 3 свободно поворачиваться вокруг вертикально установленной мачты 1, и, кроме того, происходит согласование скоростей вращения обоих роторов между собой. Вращение с трубчатого вала 10, возможно с использованием редуктора, передается на вал электрогенератора или иного потребителя. Under the influence of the incident flow on the blades 4 of the rotors 3, the latter begin to rotate, each around its own axis of rotation in opposite directions (Fig. 2). This rotation through the rollers 8 with pulleys and flexible gears 9 is transmitted to the tubular shaft 10. The flexible gears are mounted so that the rotors 3 rotate the shaft 10 in one direction. In general, the rotation transfer mechanism from the rotors to the tubular shaft 10 allows the movable frame 2 together with the rotating rotors 3 to freely rotate around a vertically mounted mast 1, and, in addition, the rotation speeds of both rotors are matched to each other. Rotation from the tubular shaft 10, possibly using a gearbox, is transmitted to the shaft of an electric generator or other consumer.

Характер взаимодействия набегающего потока с вращающимися роторами поясняется фиг. 2 и 3. На фиг.2 изображены линии тока обтекания набегающим потоком роторов, когда направление потока перпендикулярно плоскости подвижного каркаса. Линии тока концентрируются вблизи цилиндрической поверхности роторов, и, как показывают расчеты, скорость потока, воздействующего на лопасти, находящиеся в рабочем состоянии, увеличивается как минимум в два раза в сравнении со скоростью основного потока (ветра). В то же время лопасти, находящиеся в нерабочем состоянии, взаимодействуют с потоком, имеющим меньшую скорость. Отметим, что лопасти находятся в рабочем состоянии в те моменты времени, когда направление их движения совпадает с направлением скорости набегающего на них потока, а в нерабочем состоянии лопасти находятся в то время, когда направление их движения и направление скорости потока противоположны. Лопасти, находящиеся в рабочем состоянии, раскрываются навстречу набегающему на них потоку, оказывая ему максимально возможное сопротивление, в то время как лопасти с противоположной стороны ротора, находящиеся в нерабочем состоянии, прижимаются потоком цилиндрической поверхности и практически не оказывают ему никакого сопротивления. Так как работа лопастей ротора пропорциональна разности коэффициентов сопротивления потоку рабочих и нерабочих лопастей (разностному сопротивлению) и квадрату скорости потока, воздействующего на рабочие лопасти, то с учетом вышеизложенного характер взаимодействия набегающего потока с вращающимся ротором обеспечивает высокий коэффициент использования энергии ветра лопастями ротора. Наличие в качестве оснований цилиндров дисков, имеющих диаметры, несколько большие диаметров цилиндров, приводит к дополнительной концентрации линий тока и способствует увеличению эффективности работы лопастей. Кроме того, при расположении роторов друг от друга на расстоянии, обеспечивающем возможность их вращения в противоположных направлениях, взаимодействие полученной пары роторов с набегающим потоком приводит к формированию линий тока в конфигурацию, известную в гидродинамике как овал Кольвина, что обусловлено взаимным влиянием одного ротора на другой благодаря образованию вокруг них соответствующей пары противоположно закрученных вихрей. Такой характер обтекания приводит к тому, что практически весь поток, имеющий площадь поперечного сечения, равную суммарной площади диаметральных сечений роторов, направляется без всяких дополнительных устройств на лопасти роторов, практически не проникая в область между роторами. В результате мощность, развиваемая парой роторов под действием потока, в 1,5-2 раза больше суммарной мощности роторов, по отдельности взаимодействующих с тем же потоком. Кроме того, при таком обтекании аэродинамическое сопротивление пары роторов потоку незначительно, что может быть использовано для создания на этой основе движителей для транспортных средств. The nature of the interaction of the oncoming flow with the rotating rotors is illustrated in FIG. 2 and 3. FIG. 2 shows the flow lines of a flow of flowing rotors when the flow direction is perpendicular to the plane of the moving frame. The streamlines are concentrated near the cylindrical surface of the rotors, and, as calculations show, the speed of the flow acting on the blades, which are in working condition, increases at least two times in comparison with the speed of the main stream (wind). At the same time, the blades, which are inoperative, interact with the stream having a lower speed. Note that the blades are in working condition at those times when the direction of their movement coincides with the direction of the speed of the flow incident on them, and in the inoperative state the blades are at a time when the direction of their movement and the direction of flow velocity are opposite. The blades, which are in working condition, open towards the flow running on them, giving them the maximum possible resistance, while the blades on the opposite side of the rotor, which are inoperative, are pressed by the flow of the cylindrical surface and practically do not show any resistance to it. Since the operation of the rotor blades is proportional to the difference between the coefficients of resistance to the flow of working and non-working blades (differential resistance) and the square of the flow velocity acting on the working blades, taking into account the above, the nature of the interaction of the incident flow with a rotating rotor provides a high coefficient of wind energy utilization by the rotor blades. The presence as the base of the cylinders of disks having diameters slightly larger than the diameters of the cylinders, leads to an additional concentration of streamlines and increases the efficiency of the blades. In addition, when the rotors are located at a distance that allows them to rotate in opposite directions, the interaction of the resulting pair of rotors with the incoming flow leads to the formation of streamlines in a configuration known in hydrodynamics as the Kolvin oval, due to the mutual influence of one rotor on another due to the formation of a pair of oppositely swirling vortices around them. This flow pattern leads to the fact that almost the entire flow having a cross-sectional area equal to the total diametrical cross-sectional area of the rotors is directed without any additional devices to the rotor blades, practically without penetrating into the region between the rotors. As a result, the power developed by a pair of rotors under the action of the flow is 1.5–2 times greater than the total power of the rotors individually interacting with the same flow. In addition, with such a flow around, the aerodynamic drag of a pair of rotors to the flow is insignificant, which can be used to create propulsion devices for vehicles on this basis.

Если набегающий поток направлен под углом к плоскости подвижного каркаса, отличным от 90^о (фиг.3), то взаимодействие вращающихся в разных направлениях роторов с потоком приводит к появлению пары сил, действующих на роторы, обусловленных эффектом Магнуса. Связанный с ними вращающий момент поворачивает каркас вокруг мачты до тех пор, пока плоскость каркаса не установится перпендикулярно потоку. Таким образом, при изменении направления потока, набегающего на ветродвигатель, он автоматически ориентируется так, чтобы потребляемая им мощность потока была максимальной при минимальном аэродинамическом сопротивлении ему.If the incoming flow is directed at an angle to the plane of the movable frame different from ⁹⁰ ° (Figure 3), the interaction of rotating rotors in different directions with a flow gives rise to a force couple acting on the rotor due to the Magnus effect. The associated torque rotates the frame around the mast until the plane of the frame is perpendicular to the flow. Thus, when changing the direction of the flow running onto the wind turbine, it is automatically oriented so that the flow power consumed by it is maximum with minimal aerodynamic resistance to it.

Достоинства предлагаемого ветродвигателя. Advantages of the proposed wind turbine.

Благодаря тому, что лопасти закреплены на вращающейся цилиндрической поверхности вдоль образующих симметрично относительно оси вращения, скорость потока, воздействующего на лопасти в рабочем состоянии, как минимум в два раза больше скорости ветра, что ведет к значительному увеличению коэффициента использования энергии ветра, так как лопасти взаимодействуют с потоком, имеющим мощность, не менее чем в 8 раз превышающую мощность ветра. Due to the fact that the blades are mounted on a rotating cylindrical surface along the generators symmetrically with respect to the axis of rotation, the speed of the flow acting on the blades in working condition is at least two times higher than the wind speed, which leads to a significant increase in the utilization of wind energy, since the blades interact with a stream having a power not less than 8 times the wind power.

Благодаря тому, что основаниями цилиндрических роторов служат диски, имеющие диаметры, несколько большие диаметров цилиндров, выступающая в виде кольца за цилиндрическую поверхность часть диска препятствует возникновению течения, направленного вдоль образующей к основаниям цилиндра, что ведет к повышению давления на лопасти ротора, находящиеся в рабочем состоянии, со стороны потока, набегающего на цилиндрическую поверхность, а следовательно, и к увеличению совершаемой лопастями работы. Due to the fact that the bases of cylindrical rotors are disks having diameters slightly larger than the diameters of the cylinders, the part of the disk protruding in the form of a ring behind the cylindrical surface prevents the flow from flowing along the generatrix to the cylinder bases, which leads to an increase in pressure on the rotor blades located in the working state, from the side of the flow running onto a cylindrical surface, and therefore to an increase in the work performed by the blades.

Благодаря тому, что лопасти выполнены гибкими, то из них, которые находятся в рабочем положении, раскрываются навстречу потоку и с учетом их характера закрепления на цилиндрическом роторе имеют максимально возможное значение коэффициента аэродинамического сопротивления, в то время как лопасти, находящиеся в нерабочем положении (с противоположной стороны ротора), прижимаются к цилиндрической поверхности, прижимая ее форму, и их коэффициент сопротивления практически равен нулю, в результате чего значительно увеличивается эффективность работы лопастей. Due to the fact that the blades are flexible, then those that are in the working position open towards the flow and, taking into account their nature of fixing on the cylindrical rotor, have the maximum possible value of the drag coefficient, while the blades are in the idle position (with the opposite side of the rotor), are pressed against the cylindrical surface, pressing its shape, and their resistance coefficient is practically zero, resulting in a significantly increased efficiency the work of the blades.

Благодаря тому, что цилиндрические роторы вращаются в противоположных направлениях, при любом изменении направления ветра возникают силы, обусловленные эффектом Магнуса, разворачивающие каркас в ту или иную сторону поперек потока, тем самым ориентируя ветродвигатель на максимальное потребление энергии ветра и минимальное сопротивление ему. Due to the fact that the cylindrical rotors rotate in opposite directions, with any change in the direction of the wind, forces arise due to the Magnus effect, turning the frame in one direction or another across the flow, thereby orienting the wind turbine to the maximum wind energy consumption and minimum resistance to it.

Благодаря тому, что роторы расположены друг от друга на расстоянии, обеспечивающем возможность их вращения в противоположных направлениях, полученная пара роторов взаимодействует с набегающим потоком таким образом, что линии тока образуют конфигурацию в виде овала Кельвина, в результате чего значительно увеличивается мощность ветродвигателя и уменьшается аэродинамическое сопротивление набегающему потоку, что дает возможность эффективно использовать ветродвигатель в качестве движителя для транспортных средств, особенно морских. Due to the fact that the rotors are located at a distance that allows them to rotate in opposite directions, the resulting pair of rotors interacts with the incoming flow in such a way that the streamlines form a Kelvin oval configuration, as a result of which the power of the wind turbine increases significantly and the aerodynamic resistance to oncoming flow, which makes it possible to effectively use a wind turbine as a propulsion device for vehicles, especially marine ones.

Благодаря тому, что роторы могут выполняться надувными из непроницаемого, прочного, эластичного материала, значительно уменьшается вес, материалоемкость, упрощается монтаж ветродвигателя и т.п. Due to the fact that the rotors can be inflatable from an impermeable, durable, elastic material, weight, material consumption are significantly reduced, installation of a wind turbine, etc. is simplified.

Использование ветродвигателя при производстве гидроэнергетических стационарных и передвижных установок, в качестве движителя для морских и сухопутных транспортных средств, в том числе спортивных, в производстве игрушек позволит повысить КПД, упростить конструкцию, осуществить без дополнительных технических устройств автоматическую ориентацию ветродвигателя на потребление максимальной мощности потока и на минимальное аэродинамическое сопротивление ему, расширить область применения. The use of a wind turbine in the production of hydropower stationary and mobile units, as a propulsor for marine and land vehicles, including sports, in the manufacture of toys, will increase efficiency, simplify the design, and without additional technical devices to automatically orient the wind turbine to the consumption of maximum flow power and minimal aerodynamic resistance to it, expand the scope.

Claims

1. A wind turbine containing two rotors with parallel vertical axes, placed in a rotary frame, characterized in that each rotor is made in the form of a cylinder with disks at the ends, the diameter of which is larger than the diameter of the cylinder, equipped with flexible blades fixed without a gap by the rear edges on the outer surface the cylinder at an acute angle to it, vertically and symmetrically with respect to the axis of the rotor, and the upper and lower edges to the respective surfaces of the disks protruding beyond the cylinder diameter, while the rotors are mounted for y by a distance that ensures the possibility of rotation in opposite directions.

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the rotors are made in the form of hollow inflatable, sealed cylinders of an impermeable, durable elastic material.