RU2765312C1 - Аппарат оптимизации потока - Google Patents

Аппарат оптимизации потока Download PDF

Info

Publication number
RU2765312C1
RU2765312C1 RU2021119766A RU2021119766A RU2765312C1 RU 2765312 C1 RU2765312 C1 RU 2765312C1 RU 2021119766 A RU2021119766 A RU 2021119766A RU 2021119766 A RU2021119766 A RU 2021119766A RU 2765312 C1 RU2765312 C1 RU 2765312C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
blade
radius
blades
flow
central body
Prior art date
Application number
RU2021119766A
Other languages
English (en)
Inventor
Олег Владимирович Дружинин
Виталий Валентинович Губский
Ольга Викторовна Павленко
Владислав Сергеевич Алесин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2021119766A priority Critical patent/RU2765312C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2765312C1 publication Critical patent/RU2765312C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/06—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising only axial stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/02—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber
    • F02K3/04—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к устройствам оптимизации использования воздушного или гидропотока при применении лопастных роторов и может быть использовано в авиационной технике, водной технике и ветроэнергетике. Аппарат оптимизации потока перед лопастным ротором состоит из центрального тела и одной и более лопаток с плавно возрастающим радиусом от радиуса центрального тела до радиуса законцовки лопасти. Лопатки и центральное тело выполнены по интегральной схеме, т.е. поверхность лопаток плавно переходит в поверхность центрального тела. Аппарат оптимизации потока располагается перед лопастным ротором. Аппарат оптимизации потока подводит поток к лопастям ротора под наиболее оптимальным для них углом атаки. Обеспечивается увеличение тяги винта, повышение КПД лопастных роторов, снижение шума за счет снижения вихревого отрыва на лопастях. 5 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам оптимизации использования воздушного или гидропотока при применении лопастных роторов и может быть использовано в авиационной технике, водной технике и ветроэнергетике.
Проблема лопастных роторов заключается в том, что направление вектора потока относительно лопасти зависит от скорости вращения самого ротора, а также величины и направления вектора скорости набегающего потока на ротор в целом. При этом создание лопастями аэро- гидродинамической силы в нужном направлении и с наибольшем коэффициентом полезного действия (КПД) возможно только при единственном направлении вектора потока относительно самой лопасти.
Направление и величину вектора потока вычисляют через треугольник скоростей. Треугольник скоростей образуется вектором скорости набегающего потока и касательной скоростью движения сечения лопасти на 0,7 ее радиуса от оси вращения. Он, главным образом, показывает направление потока относительно лопасти ротора. Вернее, относительно сечения лопасти на 0,7 ее радиуса от оси вращения (фиг. 1) - 0.7 радиуса лопасти - точка приложения равнодействующей аэродинамических сил со всей лопасти.
Чтобы создать для лопастного ротора оптимальные условия работы перед ним устанавливают направляющий аппарат. Это устройство, которое перенаправляет набегающий поток таким образом, чтобы он подходил к лопасти всегда под оптимальным для нее углом атаки и вне зависимости от скорости набегающего потока, а также скорости вращения ротора.
Известна схема и принцип действия газовой турбины, принятой за прототип и состоящей из центрального тела, соплового аппарата (направляющий аппарат) и рабочего колеса (лопастной ротор). («Теория реактивных двигателей». Авторы П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, и др. Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР Москва - 1955 г. Страница 115 рисунок 77 и Страница 116 рисунок 78.).
Направляющий аппарат имеет следующие характерные проблемы:
- проблема дискретного преобразование потока, заключающаяся в том, что вектор потока приобретает нужное направление только в небольшой зоне за лопаткой. В промежутке между лопатками направляющего аппарата вектор потока может не только подойти к лопасти под неоптимальным углом атаки, но даже под отрицательным. Это будет создавать знакопеременные нагрузки на лопасть, способствующие ее износу и падению тяги в целом.
- проблема дополнительного сопротивления, вызванного потерями энергии на создание вихрей, заключающаяся в том, что резкое изменение направление потока лопаткой направляющего аппарата приводит к его сжатию и выдавливанию по пути наименьшего сопротивления.
Задачей изобретения является создание направляющего аппарата, подводящего поток к лопастям под наиболее оптимальным для них углом атаки.
Технический результат заключается в увеличения КПД лопастных роторов и снижении шума.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в аппарате оптимизации потока перед лопастным ротором, содержащем центральное тело с установленными на нем одной или более направляющими лопатками, форма которых определена следующими закономерностями:
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
где:
b - хорда лопатки;
δ - угол заклинения лопасти;
αопт. - угол атаки, соответствующий наибольшему аэродинамическому качеству;
х - параметр функции
усредн.лин.профиля(х) - уравнение кривой, образующей лопатку;
nлопаток - количество лопаток;
Rкорн. - радиус корневого сечения лопасти;
Rконц. - радиус концевого сечения лопасти;
RЦ.Т.(х) - радиус центрального тела в конкретной точке.
Rлоп.(x) - радиус края лопатки в конкретной точке.
k1>1 - степень функции кривой, образующий лопатку
k2=0.75…1.25 - коэффициент, определяющий возможные отклонения радиуса лопатки центрального тела от корневого радиуса лопасти.
Изобретение поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 - изображен треугольник скоростей, образованный вектором скорости набегающего потока и касательной скоростью движения сечения лопасти на 0,7 ее радиуса от оси вращения.
Фиг. 2 - общий вид аппарата оптимизации потока.
Фиг. 3 - геометрическое построение лопатки направляющего аппарата и ее расположение относительно лопасти ротора.
Фиг. 4 - геометрическое построение лопатки направляющего аппарата и ее расположение относительно лопасти ротора на виде сбоку.
Фиг. 5 - полученная экспериментально зависимость тяги движителя от скорости набегающего потока с аппаратом оптимизации потока и без него (N=6000 об./мин).
Аппарат оптимизации потока конструктивно состоит (Фиг. 2) из центрального тела 1 с установленными на нем одной или более направляющими лопатками 2 с плавно возрастающим радиусом от радиуса центрального тела до радиуса законцовки лопасти. Аппарат оптимизации потока располагается перед лопастным ротором 3.
Центральное тело представляет собой основание для крепежа направляющих лопаток и, в частности, служит обтекателем валов и втулок лопастного ротора. Лопатки и центральное тело выполнены по интегральной схеме, т.е. поверхность лопаток плавно переходит в поверхность центрального тела.
Направляющие лопатки представляют собой аэродинамические поверхности, число и форма которых подчиняется определенным закономерностям:
- уравнение кривой, образующей лопатку (Фиг. 3)
Figure 00000005
- уравнение взаимосвязи хорды лопатки (b), количества лопаток (nлопаток), корневого радиуса лопасти (rкорн) и угла заклинения лопасти (δ) (Фиг. 3)
Figure 00000006
- уравнение изменения локального радиуса лопатки (Фиг. 4)
Figure 00000007
Figure 00000008
где:
b - хорда лопатки;
δ - угол заклинения лопасти;
αопт. - угол атаки, соответствующий наибольшему аэродинамическому качеству;
х - параметр функции
унапр.потока(х) - уравнение прямой, вдоль которой следует подводить поток к лопасти для работы винта с наибольшим аэродинамическим качеством;
усредн.лин.профиля(х) - уравнение кривой, образующей лопатку;
nлопаток - количество лопаток;
Rкорн. - радиус корневого сечения лопасти;
Rконц. - радиус концевого сечения лопасти;
RЦ.Т.(х) - радиус центрального тела в конкретной точке.
Rлоп.(x) - радиус края лопатки в конкретной точке.
k1>1 - степень функции кривой, образующий лопатку
k2=0.75…1.25 - коэффициент, определяющий возможные отклонения радиуса лопатки центрального тела от корневого радиуса лопасти.
Набегающий поток, соприкасаясь с лопатками, плавно разворачивается по всей площади ометаемого лопастями ротора диска на оптимальный угол атаки для лопастей ротора, в каком бы положении они не находились.
Затем, подготовленный поток взаимодействует с лопастями ротора. При чем, угол атаки для лопастей будет оптимальный при любой скорости набегающего потока и при любой скорости вращения ротора в заданном направлении.
Таким образом, направляющий аппарат исключает на лопасти срывы потока, при этом уменьшается турбулентность в зоне лопастей ротора, шум и излишняя вибрация, вызванные стыком полей больших и малых скоростей, возникающих при вращении ротора и в отрывной зоне на лопасти.
С целью изучения влияния аппарата оптимизации потока на тягу воздушного толкающего винта в ЦАГИ был проведен эксперимент на модели фюзеляжа, представляющего собой тело вращения с установленным на нем шестилопастным толкающим винтом. Угол установки лопасти винта ϕ=40°. Ранее в ЦАГИ также были проведены экспериментальные исследования данного изолированного винта (без фюзеляжа) и модели без аппарата оптимизации потока.
Эксперимент, проведенный на модели, показал, что аппарат оптимизации потока с увеличением скорости набегающего потока увеличивает тягу воздушного винта (Фиг. 5). Такой эффект мог быть получен только при том условии, что поток подходит к лопастям под оптимальным углом атаки независимо от скорости набегающего потока и скорости вращения винта.
Что касается ветроэнергетики, то проблема с поглощением энергии из ветра по средствам лопастного ротора (турбины), заключается в крайней нестационарности самого ветра. Ветер дует все время с разной скоростью и с разным направлением, в то время как турбина будет оптимально работать только при определенном соотношении скорости набегающего потока и своей скорости вращения.
В случае неоптимальной работы турбины энергия ветра не поглощается турбиной, а рассеивается в виде шума и изменения движения потоков воздуха. Для парирования данной проблемы, роторы ветрогенераторов делают очень большими.
Во-первых, большой ротор способен собрать достаточно энергии для генератора.
Во-вторых, большой ротор обладает достаточной инерцией, чтобы не начать резко тормозить, в случае если в соотношении набегающего потока и скорости вращения, вызовет обратный момент.
В-третьих, ветер в крупных масштабах складывается в относительно стабильный поток.
Аппарат оптимизации потока делает лопастной ротор невосприимчивым к проблеме соотношения скорости набегающего потока и скорости вращения самого ротора, так как он направляет поток всегда под оптимальным углом по отношению к лопастям ротора.
Это позволит поглощать лопастным ротором наибольшее количество энергии из ветра, в результате чего размеры ротора можно значительно уменьшить. Из того же объема воздуха можно поглощать значительно большее количество энергии. Из-за отсутствия срыва на лопастях ротора, будет сильно снижен шум.
Таким образом, искомый технический результат был достигнут: из-за увеличения тяги винта повышен КПД лопастных роторов, снижен шум за счет снижения вихревого отрыва на лопастях.

Claims (18)

  1. Аппарат оптимизации потока перед лопастным ротором, содержащий центральное тело с установленными на нем одной или более направляющими лопатками, отличающийся тем, что форма направляющих лопаток определена следующими закономерностями:
  2. Figure 00000009
    ,
  3. Figure 00000010
    ,
  4. Figure 00000011
    ,
  5. Figure 00000012
    ,
  6. где:
  7. b - хорда лопатки;
  8. δ - угол заклинения лопасти;
  9. αопт. - угол атаки, соответствующий наибольшему аэродинамическому качеству;
  10. х - параметр функции
  11. усредн.лин.профиля(х) - уравнение кривой, образующей лопатку;
  12. nлопаток - количество лопаток;
  13. Rкорн. - радиус корневого сечения лопасти;
  14. Rконц. - радиус концевого сечения лопасти;
  15. RЦ.Т.(х) - радиус центрального тела в конкретной точке;
  16. Rлоп.(x) - радиус края лопатки в конкретной точке;
  17. k1>1 - степень функции кривой, образующей лопатку;
  18. k2=0.75…1.25 - коэффициент, определяющий возможные отклонения радиуса лопатки центрального тела от корневого радиуса лопасти.
RU2021119766A 2021-07-06 2021-07-06 Аппарат оптимизации потока RU2765312C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119766A RU2765312C1 (ru) 2021-07-06 2021-07-06 Аппарат оптимизации потока

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119766A RU2765312C1 (ru) 2021-07-06 2021-07-06 Аппарат оптимизации потока

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2765312C1 true RU2765312C1 (ru) 2022-01-28

Family

ID=80214478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021119766A RU2765312C1 (ru) 2021-07-06 2021-07-06 Аппарат оптимизации потока

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2765312C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2608821A (en) * 1949-10-08 1952-09-02 Gen Electric Contrarotating turbojet engine having independent bearing supports for each turbocompressor
FR2262200B1 (ru) * 1974-02-25 1978-12-08 Gen Electric
RU18428U1 (ru) * 2001-02-14 2001-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Мотор" Малая гидротурбина с поворотными лопатками направляющего аппарата и ротора
RU2381144C2 (ru) * 2007-12-26 2010-02-10 Анатолий Викторович Лебедев Способ увеличения эффективности лопастного винта
RU2438917C2 (ru) * 2009-02-16 2012-01-10 Владимир Михайлович Палецких Судовой движитель-концентратор
RU2013105209A (ru) * 2012-02-09 2014-08-20 Дженерал Электрик Компани Турбомашина, турбоустановка и способ оптимизации характеристик потока в турбомашине

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2608821A (en) * 1949-10-08 1952-09-02 Gen Electric Contrarotating turbojet engine having independent bearing supports for each turbocompressor
FR2262200B1 (ru) * 1974-02-25 1978-12-08 Gen Electric
RU18428U1 (ru) * 2001-02-14 2001-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Мотор" Малая гидротурбина с поворотными лопатками направляющего аппарата и ротора
RU2381144C2 (ru) * 2007-12-26 2010-02-10 Анатолий Викторович Лебедев Способ увеличения эффективности лопастного винта
RU2438917C2 (ru) * 2009-02-16 2012-01-10 Владимир Михайлович Палецких Судовой движитель-концентратор
RU2013105209A (ru) * 2012-02-09 2014-08-20 Дженерал Электрик Компани Турбомашина, турбоустановка и способ оптимизации характеристик потока в турбомашине

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100936076B1 (ko) 프로펠러 시스템 및 프로펠러 시스템의 작동 방법
US10690112B2 (en) Fluid turbine rotor blade with winglet design
US20070217917A1 (en) Rotary fluid dynamic utility structure
US10280895B1 (en) Fluid turbine semi-annular delta-airfoil and associated rotor blade dual-winglet design
RU2551404C2 (ru) Высокоэффективная лопасть винта с увеличенной поверхностью рабочей части
GB2451670A (en) A fluid driven rotor
US10202961B2 (en) Fluid turbine semi-shroud and associated rotor blade dual-winglet design
EP3613980A1 (en) Vertical-shaft turbine
Kuethe Effect of streamwise vortices on wake properties associated with sound generation.
RU2765312C1 (ru) Аппарат оптимизации потока
Kim et al. Study of turbine with self-pitch-controlled blades for wave energy conversion
Govardhan et al. Numerical studies on performance improvement of self-rectifying air turbine for wave energy conversion
Takao et al. A study on the effects of blade profile and non-uniform tip clearance of the Wells turbine
JP6126287B1 (ja) 垂直軸型螺旋タービン
EP2740931A1 (en) Blade for vertical-axis wind turbine and vertical-axis wind turbine
RU2204503C2 (ru) Воздушный винт самолета
TWM588736U (zh) 用於水平軸風力發電機葉片之輔助器
RAGHUNATHAN et al. Some techniques to improve the operation range of the Wells turbine for wave power generator
Budea et al. Experimental research on darrieus type H wind turbines with semi-open blades
JP6524396B2 (ja) 波力発電タービン
Kamada et al. Experimental studies on velocity field around wind turbine rotor
RU106675U1 (ru) Ветрогенератор
RU2615287C1 (ru) Ветрогидроэнергетическая установка с составными лопастями, использующая в потоке эффект магнуса (варианты)
Gandhi et al. Development and Field Trials of Ultra Low Wind Speed Vertical Axis Wind Turbine (VWAT) for Home Application
JPS6385201A (ja) 波力発電甲ウェルズダービン