RU2320890C1

RU2320890C1 - Aerohydrodynamic engine

Info

Publication number: RU2320890C1
Application number: RU2006138742/06A
Authority: RU
Inventors: Петр Окт бревич Карпушкин (RU); Петр Октябревич Карпушкин
Original assignee: Петр Октябревич Карпушкин
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-03-27

Abstract

FIELD: aero hydro dynamics.

SUBSTANCE: invention relates to aerohydrodynamic engines converting energy of translational motion of gas or liquid medium, for instance, wind or water flow, into rotation of shaft of power machines. Proposed aerohydrodynamic engine has vertical shaft of rotation, axles connected with shaft and parallel to shaft and shaped blades hinge-mounted on axles. Blades have concave-convex or flat-convex type of profile. Blades diametrically opposite to axis of rotation are hinge-connected with rigid rod by means of levers secured on convex sides of levers arranged square to plane of blades along line of their vertical turning axes. Axis of hinge joint of each blade is displaced from center of gravity and focus of aerodynamic profile to side of larger part of blade. Vertical shaft of rotation is provided with hollow regular prism with vertices of angles pointed to corresponding axes of blades. Through slots are made perpendicular to axis of shaft rotation in angles of hollow regular prism at different tiers of working space.

EFFECT: increased engine power output and its efficiency at improvement of its operating characteristics.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к аэрогидродинамическим двигателям, преобразующим энергию поступательного движения газовой или жидкой среды, например ветра или течения воды, во вращательное движение вала привода силовых машин, таких как генератор электрического тока, гребной винт корабля, насос, подъемный механизм и т.п.The invention relates to aerohydrodynamic engines that convert the energy of the translational motion of a gas or liquid medium, such as wind or water flow, into the rotational motion of the drive shaft of power machines, such as an electric current generator, a ship's propeller, a pump, a lifting mechanism, and the like.

Известно по патенту RU 1134772 рабочее колесо карусельного ветродвигателя, содержащее втулку с консольными горизонтальными балками, имеющими на концах шарниры, и закрепленные на балках при помощи упомянутых шарниров вертикальные лопасти, каждая из которых снабжена кронштейном с жестко закрепленным на нем стабилизатором, а каждая лопасть снабжена расположенными по обе стороны от стабилизатора поворотными рулями и связанными с ним при помощи тяг подпружиненными двуплечими рычагами с выступами, и каждый шарнир - ответными последним выемками, сами лопасти выполнены из парусины и снабжены упорами, взаимодействующими с рычагами.Known according to the patent RU 1134772, an impeller of a rotary wind turbine, comprising a sleeve with cantilever horizontal beams having hinges at the ends, and vertical blades fixed to the beams using said hinges, each of which is equipped with an arm with a stabilizer rigidly fixed on it, and each blade is equipped with located on both sides of the stabilizer by rotary rudders and spring-loaded two-arm levers with protrusions connected with it by means of rods, and each hinge - by reciprocal last recesses , the blades themselves are made of canvas and are equipped with stops interacting with levers.

По патенту RU 1820024 известна ветроустановка, содержащая размещенный в опорной башне вертикальный вал с радиальными полыми траверсами, связанными вертикально-осевыми шарнирами с лопастями, подпружиненные тяги, установленные в полостях траверс и шарнирно соединенные с лопастями, и генератор, связанный с валом при помощи мультипликатора. У этой установки тяги выполнены в виде кулис, снабженных установленными на них регулировочными грузами, и подпружинены с помощью пар коаксиально установленных цилиндрических пружин, при этом вертикальные оси шарниров совмещены с центрами масс лопастей.According to patent RU 1820024, a wind turbine is known, comprising a vertical shaft located in the support tower with radial hollow traverses connected by vertical-axial hinges with blades, spring-loaded rods installed in the traverse cavities and pivotally connected to the blades, and a generator connected to the shaft using a multiplier. At this installation, the rods are made in the form of wings, equipped with adjusting weights installed on them, and spring-loaded using pairs of coaxially mounted coil springs, while the vertical axis of the hinges are aligned with the centers of mass of the blades.

По патенту RU 2024782 известно ветроколесо, содержащее вертикальный вал, закрепленные на нем радиальные траверсы с шарнирно установленными лопастями, противовесы, причем оно снабжено шарнирно связанными между собой пилонами с кронштейнами, а траверсы - упорами, при этом пилоны расположены на лопастях, кронштейны шарнирно связаны с траверсами и установлены с возможностью взаимодействия с упорами, концы пружин соединены соответственно с пилонами в зоне задних кромок лопастей с одними концами кронштейнов, а на других концах последних размещены противовесы.According to patent RU 2024782, a wind wheel is known that contains a vertical shaft, radial traverses mounted thereon with pivotally mounted blades, counterweights, moreover, it is equipped with pylons pivotally connected to each other with brackets, and traverses have stops, while the pylons are located on the blades, the pylons are pivotally connected to traverses and are installed with the possibility of interaction with the stops, the ends of the springs are connected respectively to the pylons in the area of the trailing edges of the blades with one ends of the brackets, and at the other ends of the latter placed s balances.

По патенту RU 2042044 известен карусельный ветродвигатель, содержащий установленный на вертикальной оси ротор с лопастями, размещенными на радиальных штангах, и механизм изменения углов атаки лопастей путем поворота лопастей вокруг собственных осей, параллельных оси вращения ротора, выполненный в виде связанного с каждой лопастью устройства изменения угла атаки, соединенного с другими аналогичными устройствами радиальными штангами посредством согласующего узла, смонтированного на оси вращения ротора, при этом каждая лопасть имеет аэродинамический симметричный профиль, ось вращения лопасти смещена к передней кромке, а устройство изменения угла атаки содержит смонтированный на каждой радиальной штанге корпус, в котором установлен пространственный кривошипно-шатунный механизм качающейся шайбы, связанный с осью лопасти посредством конической шестерни ориентации, сидящей на оси кривошипа, на которой установлен подшипник кронштейна, качающейся шайбой является втулка с двумя радиальными цапфами, установленная с возможностью поворота на наклонной оси, расположенной под углом α=45° к оси лопасти, а на цапфах шарнирно укреплены два вильчатых поводка, ось одного из которых установлена с возможностью вращения в подшипнике, размещенном на основании корпуса под углом β к линии оси лопасти, а ось второго вильчатого поводка установлена с возможностью поворота в подшипнике кронштейна, причем угол β не превышает угол α, a согласующий узел выполнен в виде конического дифференциала.According to patent RU 2042044, a rotary wind turbine is known, comprising a rotor mounted on a vertical axis with blades placed on radial rods, and a mechanism for changing the angle of attack of the blades by rotating the blades around their own axes parallel to the axis of rotation of the rotor, made in the form of a change of angle associated with each blade an attack connected to other similar devices by radial rods by means of a matching unit mounted on the axis of rotation of the rotor, with each blade having an aerod a symmetrical symmetrical profile, the axis of rotation of the blade is shifted to the leading edge, and the device for changing the angle of attack contains a housing mounted on each radial rod, in which a spatial crank-connecting rod mechanism of the swinging washer is connected, connected to the axis of the blade by means of a conical orientation gear sitting on the axis of the crank, on which the bracket bearing is mounted, the swinging washer is a sleeve with two radial trunnions mounted rotatably on an inclined axis located under the gap α = 45 ° to the axis of the blade, and two fork leashes are pivotally mounted on the pins, the axis of one of which is mounted for rotation in a bearing placed on the housing base at an angle β to the line of the axis of the blade, and the axis of the second fork leash is mounted for rotation in the bracket bearing, the angle β not exceeding the angle α, and the matching unit is made in the form of a conical differential.

По патенту RU 2069795 известно ветроколесо, содержащее поворотные лопасти, шарнирно соединенные с траверсами, связанными с вертикальным валом, а траверса с лопастями дополнительно соединена с амортизатором, содержащим цилиндр и шток, которые соединены соответственно с траверсой и лопастью шарнирами, причем концевая часть траверсы выполнена с пазом, соответствующим форме цилиндра амортизатора, причем лопасть соединена по крайней мере с двумя траверсами, прикрепленными к одному валу.According to patent RU 2069795, a wind wheel is known that contains rotary blades pivotally connected to a traverse connected to a vertical shaft, and the traverse with blades is additionally connected to a shock absorber containing a cylinder and a rod, which are connected respectively to the traverse and the blade by hinges, and the end part of the traverse is made with a groove corresponding to the shape of the cylinder of the shock absorber, and the blade is connected to at least two traverses attached to one shaft.

По патенту RU 2246635 известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, представляющий собой ротор, содержащий вертикальный вал, имеющий ярусы из кронштейнов и лопасти, жестко установленные вдоль оси вращения, причем дополнительно содержит кожух в виде призмы, расположенный между кронштейнами соосно с валом, и горизонтальные экраны, при этом лопасти выполнены в виде аэродинамических крыльев с односторонними элеронами, обращенными в сторону кожуха и находящимися на расстоянии не более длины носка крыла, а каждый из элеронов закреплен шарниром в тело носка крыла таким образом, что свободным концом может быть оперт на грань кожуха. Элероны подпружиненными шарнирно-телескопическими тягами попарно соединены с установленными вдоль стенок кожуха вертикальными поворотными лопастями, а с противоположной стороны, служащей опорой элерону, каждая грань кожуха имеет скос, составляющий с касательной к окружности вращения угол не менее 15 градусов.According to patent RU 2246635 a wind turbine with a vertical axis of rotation is known, which is a rotor containing a vertical shaft having tiers of brackets and blades, rigidly mounted along the axis of rotation, and further comprises a casing in the form of a prism located between the brackets coaxially with the shaft, and horizontal screens while the blades are made in the form of aerodynamic wings with one-sided ailerons facing the casing and located at a distance of no more than the length of the wing tip, and each of the ailerons is fixed Nir in the body of the wing of the sock so that the free end can be simply supported on a face of the casing. Ailerons with spring-mounted articulated telescopic rods are paired with vertical swivel blades installed along the walls of the casing, and on the opposite side, which serves as the support for the aileron, each face of the casing has a bevel that makes an angle of at least 15 degrees from the tangent to the circle of rotation.

Однако все вышеперечисленные аналоги имеют следующие недостатки: большая вибрация и постоянный шум; низкое соотношение производимой мощности и пассивной массы конструкции; наличие "мертвых" зон при изменении направления потока; относительно низкая величина вращательного момента.However, all of the above analogues have the following disadvantages: large vibration and constant noise; low ratio of power output and passive mass of the structure; the presence of "dead" zones when the flow direction changes; relatively low torque.

Наиболее близкими к предлагаемому являются:Closest to the proposed are:

Аэрогидродинамический двигатель по патенту RU 2014486, в котором упоры, скрепленные с валом вращения, размещены попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и вал вращения, при этом каждая из частей лопасти выполнена с различной массой с обеспечением равенства статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси, а большая по размерам часть лопасти выполнена более легкой и расположена между осью лопасти и валом вращения.The aerohydrodynamic engine according to patent RU 2014486, in which the stops fastened to the rotation shaft, are placed in pairs on both sides of the axis of the blade in planes passing through the axis of the blades and the shaft of rotation, with each of the parts of the blade made with different masses ensuring equal static moments these parts of the blade relative to its axis, and the larger part of the blade is made lighter and is located between the axis of the blade and the shaft of rotation.

По патенту RU 2044157 аэрогидродинамический двигатель, содержащий вертикальный вал, связанные с валом вертикальные оси, лопасти, шарнирно установленные на осях, и взаимодействующие с лопастями упоры, ограничивающие поворот лопастей вокруг осей, выполнен многоярусным с размещением в каждом ярусе по меньшей мере трех лопастей, каждая лопасть выполнена аэродинамического профиля и статически уравновешена относительно центра оси вращения, смещенного в сторону передней кромки лопасти, при этом оси лопастей каждого яруса смещены по отношению к осям смежных с ним ярусов на угол, равный частному от деления угла между осями яруса на общее число ярусов, упоры смещены от центра осей вращения соответствующих лопастей к валу на величину, меньшую расстояния от передней кромки до центра вращения лопасти по хорде профиля.According to patent RU 2044157, an aerohydrodynamic engine containing a vertical shaft, vertical axes connected to the shaft, blades pivotally mounted on the axes, and stops interacting with the blades, limiting the rotation of the blades around the axes, is multi-tier with at least three blades placed in each tier, each the blade is made of an aerodynamic profile and is statically balanced relative to the center of the axis of rotation, shifted towards the front edge of the blade, while the axis of the blades of each tier are offset with respect to about the number of adjacent tiers by an angle equal to the quotient of dividing the angle between the axis of the tier by the total number of tiers, the stops are offset from the center of the axis of rotation of the respective blades to the shaft by an amount less than the distance from the leading edge to the center of rotation of the blade along the chord of the profile.

По патенту RU 2235901 ветродвигатель, содержащий вал, закрепленные на нем радиальные траверсы, шарнирно связанные с ними профилированные лопасти, причем ось шарниров каждой лопасти смещена от центра тяжести лопасти и фокуса аэродинамического профиля в сторону его носка, а лопасти закреплены в шарнирах с возможностью свободно поворачиваться в пределах секторов, ограниченных механическими упорами.According to patent RU 2235901, a wind turbine containing a shaft, radial traverses mounted on it, profiled blades pivotally connected to them, the axis of hinges of each blade being offset from the center of gravity of the blade and focus of the aerodynamic profile towards its nose, and the blades are fixed in hinges with the ability to rotate freely within sectors limited by mechanical stops.

Прототипом к предлагаемому изобретению является ветродвигатель по патенту RU 2029885. Он содержит вертикальный вал с кронштейнами и прикрепленные к ним поворотные лопасти, контактирующие с упорами, которые выполнены в виде установленных вокруг вала плоских панелей, соединенных своими краями между собой и кронштейнами, причем каждая из вершин углов, образованных соединенными панелями, расположена на оси симметрии соответствующего кронштейна.The prototype of the present invention is a wind turbine according to the patent RU 2029885. It contains a vertical shaft with brackets and rotary blades attached to them, in contact with stops, which are made in the form of flat panels mounted around the shaft, connected by their edges to each other and to the brackets, each of which the angles formed by the connected panels are located on the axis of symmetry of the corresponding bracket.

Недостатком этих ветродвигателей, как и прототипа, является то, что при повороте оси вращения и лопастей вокруг собственных осей под действием набегающего потока всегда возникает такое взаимное положение лопастей относительно направления потока, при котором вращательный аэродинамический момент уравновешивается тормозящим аэродинамическим моментом, даже если двигатель выполнен в виде системы с несколькими осями вращения, связанными трансмиссией, и со смещенными на некоторый угол начальными положениями лопастей каждой отдельной оси вращения.The disadvantage of these wind turbines, as well as the prototype, is that when the rotation axis and the blades rotate around their own axes under the action of the incoming flow, there always arises a relative position of the blades relative to the flow direction, in which the rotational aerodynamic moment is balanced by the braking aerodynamic moment, even if the engine is made in the form of a system with several rotation axes connected by the transmission, and with the initial positions of the blades of each individual axis shifted by a certain angle rotation.

Также к недостаткам следует отнести низкий коэффициент использования энергии потока, большую вибрацию и постоянный шум при контакте лопастей с упорами.Also disadvantages include the low utilization of the flow energy, high vibration and constant noise when the blades come in contact with the stops.

Изобретение решает задачу повышения эффективности работы двигателя и надежности.The invention solves the problem of improving engine efficiency and reliability.

Технический результат при использовании изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик и повышении мощности двигателя, его КПД.The technical result when using the invention is to improve operational characteristics and increase engine power, its efficiency.

Указанный технический результат достигается тем, что аэрогидродинамический двигатель Карпушкина выполнен из вертикального вала вращения с полой правильной призмой, вершины углов которой сориентированы на соответствующие оси лопастей, которые, в свою очередь, выполнены вогнуто-выпуклыми или плосковыпуклыми, причем диаметрально противоположные от оси вращения лопасти шарнирно соединены с жесткой тягой посредством закрепленных на выпуклых сторонах рычагов, расположенных перпендикулярно плоскости лопастей по линии их вертикальных осей поворота, а ось шарнира каждой лопасти смещена от центра тяжести и фокуса аэродинамического профиля в сторону большей части лопасти, причем перпендикулярно оси вала вращения в углах полой правильной призмы выполнены сквозные прорези на разных ярусах рабочего пространства.The specified technical result is achieved by the fact that the Karpushkin aerohydrodynamic engine is made of a vertical shaft of rotation with a hollow regular prism, the vertices of the angles of which are oriented to the corresponding axis of the blades, which, in turn, are made concave-convex or plane-convex, and diametrically opposite from the axis of rotation of the blade articulated connected to a rigid rod by means of levers fixed on the convex sides located perpendicular to the plane of the blades along the line of their vertical axis of rotation, and the hinge axis of each blade is offset from the center of gravity and focus of the aerodynamic profile towards the greater part of the blade, and through cuts are made perpendicular to the axis of the rotation shaft in the corners of the hollow regular prism on different tiers of the working space.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на фиг.1 изображен общий вид аэрогидродинамического двигателя (с наветренной стороны); а на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, figure 1 shows a General view of an aero-hydrodynamic engine (on the windward side); and figure 2 is a section aa in figure 1.

Аэрогидродинамический двигатель представляет собой вертикальный вал вращения 1, переходящий в рабочем пространстве в полый вертикальный вал вращения в виде правильной призмы 2. Каждая из вершин углов призмы 2 расположена на оси симметрии соответствующих профилированных кронштейнов 3, закрепленных на валу 1-2 на одинаковых расстояниях. Профилированные лопасти 4 соединены с кронштейнами 3 шарнирами 5. Диаметрально противоположные от оси вращения двигателя лопасти 4 еще соединены шарнирными наконечниками 6 с жесткой тягой 7 посредством закрепленных на выпуклой стороне каждой лопасти 4 рычагов 8. Каждая пара рычагов 8, шарнирно связанная с жесткой тягой 7, расположена на разных ярусах рабочего пространства полого вала 2 вращения. Жесткие тяги 7 свободно перемещаются возвратно-поступательно в сквозных прорезях 9. В нижней части вал 1-2 удерживается опорой 10, в которой вращательное движение вала 1-2 преобразуется в механическую работу.The aerohydrodynamic engine is a vertical shaft of rotation 1, passing in the working space into a hollow vertical shaft of rotation in the form of a regular prism 2. Each of the vertices of the corners of the prism 2 is located on the axis of symmetry of the corresponding profiled brackets 3, mounted on the shaft 1-2 at equal distances. The profiled blades 4 are connected to the brackets 3 by hinges 5. The blades 4 that are diametrically opposite from the axis of rotation of the engine are still connected by hinged ends 6 with a rigid rod 7 by means of levers 8 attached to the convex side of each blade 8. Each pair of levers 8, hinged to a rigid rod 7, located on different tiers of the working space of the hollow shaft 2 rotation. The rigid rods 7 move freely reciprocating in through the slots 9. In the lower part, the shaft 1-2 is held by a support 10, in which the rotational movement of the shaft 1-2 is converted into mechanical work.

Аэрогидродинамический двигатель работает следующим образом. Встречаясь с поверхностями лопастей 4, набегающий поток, обозначенный стрелками и имеющий произвольное направление, за счет создаваемого скоростного напора поворачивает лопасти 4 вокруг осей шарниров 5. При этом лопасть 4, расположенная с одной стороны полого вала 2, занимает положение, параллельное набегающему потоку, не оказывая ему существенного сопротивления, а шарнирно связанная с ней посредством жесткой тяги 7 диаметрально противоположная лопасть 4 - перпендикулярное, воспринимая давление набегающего потока. В результате этого возникает вращательный момент, приложенный к вертикальному валу вращения 1, и последний приобретает угловую скорость ω. Лопасти 4 при прохождении ими наветренной стороны в результате вращения двигателя изменяют угол атаки набегающему потоку, вследствие чего увеличивается аэро- или гидродинамическая сила F_а. При резком уменьшении скорости набегающего потока или кратковременном снятии полезной нагрузки с вала 1 может возникнуть эффект колебания лопастей 4, связанных единой жесткой тягой 7, когда одна из лопастей 4 находится с наветренной, а другая с подветренной стороны. Для устранения данного эффекта ось шарниров 5 каждой лопасти 4 смещена от центра тяжести Ц.Т. и фокуса аэродинамического профиля Ф в сторону большей части лопасти 4. При повороте полого вала 2 под острыми углами к направлению набегающего потока последний отклоняется от середины двигателя к его периферии (как показано на фиг.2 штриховыми линиями со стрелками), усиливая прямое давление набегающего потока, действующее на лопасти 4. При повышенных оборотах двигателя связанные жесткой тягой 7 пары лопастей 4 стремятся занять срединное положение, тем самым уменьшая вращательный момент.Aerohydrodynamic engine operates as follows. Encountering the surfaces of the blades 4, the incoming flow, indicated by arrows and having an arbitrary direction, rotates the blades 4 around the axis of the hinges 5 due to the created high-pressure head. Moreover, the blade 4, located on one side of the hollow shaft 2, occupies a position parallel to the incoming flow, not providing him with significant resistance, and the diametrically opposite blade 4 pivotally connected to it by means of rigid traction 7 is perpendicular, perceiving the pressure of the incoming flow. As a result of this, a rotational moment is applied to the vertical shaft of revolution 1, and the latter acquires an angular velocity ω. The blades 4 at the windward side of the passage as a result of engine rotation change the angle of attack to the oncoming flow, thereby increasing the aero- or hydrodynamic force F _a. With a sharp decrease in the speed of the incoming flow or short-term removal of the payload from the shaft 1, the effect of the oscillation of the blades 4 connected by a single rigid rod 7 may occur, when one of the blades 4 is on the windward and the other on the leeward side. To eliminate this effect, the axis of the hinges 5 of each blade 4 is shifted from the center of gravity of C.T. and focus of the aerodynamic profile Ф towards the greater part of the blade 4. When turning the hollow shaft 2 at sharp angles to the direction of the incoming flow, the latter deviates from the middle of the engine to its periphery (as shown in Fig. 2 by dashed lines with arrows), increasing the forward pressure of the incoming flow acting on the blades 4. At increased engine speeds, the pairs of blades 4 tied by a rigid draft 7 tend to occupy a middle position, thereby reducing torque.

Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять самозапуск двигателя в работу при достаточно минимальной скорости набегающего потока и удерживать предельно допустимое число оборотов двигателя при повышенной выше номинальной скорости набегающего потока, не превышая механических перегрузок.The proposed technical solution allows the engine to start up at a sufficiently low free flow speed and to keep the maximum permissible engine speed at a higher than the rated free flow speed, not exceeding mechanical overloads.

Claims

1. Aerohydrodynamic engine containing a vertical shaft of rotation, axes associated with it, parallel to the shaft of rotation and profile blades pivotally mounted on the axes, characterized in that the blades have a concave-convex or plane-convex type of profile, and diametrically opposite from the axis of rotation of the blade pivotally connected to a rigid rod by means of levers fixed on the convex sides located perpendicular to the plane of the blades along the line of their vertical axis of rotation.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the hinge axis of each blade is offset from the center of gravity and focus of the aerodynamic profile towards the greater part of the blade.

3. The engine according to claim 1 or 2, characterized in that the vertical shaft of rotation is made with a hollow regular prism, the vertices of the corners of which are oriented on the corresponding axis of the blades.

4. The engine according to claim 3, characterized in that perpendicular to the axis of the rotation shaft in the corners of the hollow regular prism, through slots are made on different tiers of the working space.