RU81266U1

RU81266U1 - WINDWATER WHEEL

Info

Publication number: RU81266U1
Application number: RU2008143580/22U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Фёдорович Афанасьев; Татьяна Владимировна Афанасьева
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2009-03-10

Abstract

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе использования энергии ветра или воды, обладающей повышенным значением КПД преобразования. Ветроводяное колесо содержит ротор с осью (1) вращения, перпендикулярной направлению потока воды или ветра, как минимум, две пары лопастей (3, 4 и 5, 6), расположенных на концах парных рычажных реек (7, 8), перемещающихся в отверстиях (10) оси (1) в зависимости от фазы вращательного движения ротора. При этом изменяется длина рычагов каждой пары лопастей (3, 4 и 5, 6). Рычаг лопасти (4), движущейся попутно с течением ветра или воды за счет его смещения в отверстиях (10) ротора становится больше чем рычаг с лопастью (3), движущейся на встречу потоку среды, что приводит к увеличению результирующего момента вращения. Соотношения длин рычагов противоположных лопастей (3 и 4) определяются формой и размещением относительно оси (1) вращения опорного обода (14), на который изнутри через ролики опираются вращающиеся парные рычажные рейки (7, 8) с противолежащими лопастями.The utility model relates to energy converters operating on the basis of the use of wind or water energy, which has an increased value of conversion efficiency. The wind wheel contains a rotor with an axis of rotation (1) perpendicular to the direction of flow of water or wind, at least two pairs of blades (3, 4 and 5, 6) located at the ends of the pair of lever rails (7, 8) moving in the holes ( 10) axis (1) depending on the phase of the rotational movement of the rotor. This changes the length of the levers of each pair of blades (3, 4 and 5, 6). The lever of the blade (4) moving along with the flow of wind or water due to its displacement in the holes (10) of the rotor becomes larger than the lever with the blade (3) moving to meet the flow of the medium, which leads to an increase in the resulting torque. The ratios of the lengths of the levers of the opposite blades (3 and 4) are determined by the shape and placement of the support rim (14) relative to the axis (1) of rotation, on which rotating paired link rails (7, 8) with opposing blades are supported from the inside through the rollers.

Использование лопастей с формой поперечного сечения крыла летательного аппарата и направления выпуклости, совпадающего с направлением результирующего момента вращения ротора за счет аэродинамических сил в совокупности с повышением результирующего момента за счет смещения центра вращения ротора позволяет повысить КПД преобразования энергии без увеличения габаритов колеса.The use of blades with the cross-sectional shape of the wing of the aircraft and the direction of convexity, which coincides with the direction of the resulting moment of rotation of the rotor due to aerodynamic forces, together with an increase in the resulting moment due to the displacement of the center of rotation of the rotor, allows to increase the energy conversion efficiency without increasing the dimensions of the wheel.

Description

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе использования энергии ветра или воды, предназначена для использования в энергетических установках.The utility model relates to energy converters based on the use of wind or water energy, and is intended for use in power plants.

Известно устройство, работающее на основе использования энергии ветра или воды, содержащее, как и предполагаемое устройство, ротор с осью вращения, рычаги с лопастями, размещенными на поворотных осях, создающими вращающий момент для электрического генератора, кинематически связанного с осью вращения ротора преобразователя. В известном устройстве рычаги жестко закреплены на оси вращения ротора (см. патент RU №2168652), прототип.A device based on the use of wind or water energy is known, comprising, like the proposed device, a rotor with an axis of rotation, levers with blades placed on rotary axes, creating a torque for an electric generator kinematically connected with the axis of rotation of the rotor of the converter. In the known device, the levers are rigidly fixed to the axis of rotation of the rotor (see patent RU No. 2168652), prototype.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность преобразования энергии течений во вращающий момент на оси ротора, возможное повышение которого приводит к увеличению габаритов преобразователей - диаметра их ветровых и водяных колес, веса, стоимости и т.д.The disadvantage of the prototype is the low efficiency of converting the energy of currents into torque on the axis of the rotor, the possible increase of which leads to an increase in the dimensions of the converters - the diameter of their wind and water wheels, weight, cost, etc.

Технический результат заключается в повышении вращающего момента на оси ротора ветроводяного колеса за счет использования смещенной оси вращения колеса и переменной длине рычагов при практически неизменных габаритных размеров и формы лопастей ветроводяных колес этих преобразователей.The technical result consists in increasing the torque on the axis of the rotor of the wind wheel due to the use of the offset axis of rotation of the wheel and the variable length of the levers with almost constant overall dimensions and shape of the blades of the wind wheels of these converters.

Технический результат достигается тем, что ветроводяное колесо, содержит ротор с осью и, как минимум, четыре лопасти на поворотных осях, размещенный на парных рычажных рейках, свободно проходящих через отверстия в оси, статор, содержащий раму с размещенным внутри нее ротором, опорный обод, размещенный в плоскости, перпендикулярной оси ротора, и закрепленной сверху и снизу внутри рамы по ее середине. Особенностью является то, что обод имеет только одну ось симметрии, по The technical result is achieved by the fact that the wind wheel contains a rotor with an axis and at least four blades on rotary axes, placed on a pair of lever rails freely passing through the holes in the axis, a stator containing a frame with a rotor located inside it, a support rim, placed in a plane perpendicular to the axis of the rotor, and fixed above and below inside the frame in its middle. The peculiarity is that the rim has only one axis of symmetry, according to

которой он смещен относительно центра оси вращения ротора, а расстояние между двумя точками пересечения рабочей поверхности обода с прямой, проходящей через центр оси ротора, при любом угле наклона прямой постоянно и равно расстоянию между точками соприкосновения рабочей поверхности опорного обода и противолежащих опорных роликов, размещенных по центру на внешних кромках противолежащих пар поперечных планок, скрепляющих консоли парных рычажных реек и опирающимися изнутри на опорный обод, а связывающие противолежащие лопасти пара рычажных реек может перемещаться в отверстиях оси ротора при его повороте, изменяя соотношения длин противолежащих рычагов и их моменты вращения, и, что поворотные лопасти в поперечном сечении представляют собой профиль крыла летательного аппарата с выпуклостью, совпадающей с направлением результирующего вращающего момента ротора.which it is offset relative to the center of the axis of rotation of the rotor, and the distance between two points of intersection of the working surface of the rim with a straight line passing through the center of the axis of the rotor at any angle of inclination of the line is constant and equal to the distance between the points of contact of the working surface of the support rim and the opposite support rollers placed along to the center on the outer edges of the opposite pairs of transverse slats fastening the consoles of the pair of lever rails and leaning from the inside to the supporting rim, and the link connecting the opposite blades of the pair important rails can move in the holes of the rotor axis when it is rotated, changing the ratio of the lengths of the opposing levers and their moments of rotation, and that the rotary blades in cross section are the wing profile of the aircraft with a convexity that coincides with the direction of the resulting rotor torque.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами на которых изображено: фиг.1 - ветроводяное колесо со смещенной осью вращения; фиг.2 - ось ротора с парными рычажными рейками; фиг.3 -конструкция консоли рычага с поворотной лопастью.The essence of the utility model is illustrated by graphic materials on which are depicted: figure 1 - a wind-driven wheel with a displaced axis of rotation; figure 2 - the axis of the rotor with a pair of lever rails; figure 3 - design of the console arm with a rotary blade.

Ветроводяное колесо (фиг.1) имеет ротор с осью 1, статор в виде рамы 2, четыре лопасти 3, 4 и 5, 6, закрепленные на концах парных рычажных реек 7 и 8, концы каждой пары которых скреплены поперечными планками 9, которые по отверстиям 10 в оси 1 ротора могут перемещаться в обе стороны, меняя соотношение длин противолежащих рычагов R1/R2, длина которых отсчитывается от центра оси 1 до центров противоположных лопастей 3 и 4. С целью уменьшения трения оси 1 ротора на ее концевиках 11 и 12 посажены подшипники 13. Внутри рамы 2 в плоскости, перпендикулярной оси 1 ротора, размещен опорный обод 14, закрепленный сверху и снизу по ее середине. Опорный обод 14 имеет только одну ось симметрии, которая является линией пересечения двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостей - плоскости опорного обода 14 и плоскости, проходящей через ось The wind-driven wheel (Fig. 1) has a rotor with an axis 1, a stator in the form of a frame 2, four blades 3, 4 and 5, 6, fixed at the ends of the pair of lever rails 7 and 8, the ends of each pair of which are fastened by transverse strips 9, which are holes 10 in the axis 1 of the rotor can move in both directions, changing the ratio of the lengths of the opposing levers R1 / R2, the length of which is measured from the center of the axis 1 to the centers of the opposing blades 3 and 4. In order to reduce the friction of the axis 1 of the rotor on its end 11 and 12 bearings 13. Inside the frame 2 in a plane perpendicular to the axis 1 of the rotor, posted by the supporting rim 14, mounted on top and bottom in its middle. The support rim 14 has only one axis of symmetry, which is the intersection line of two mutually perpendicular vertical planes - the plane of the support rim 14 and the plane passing through the axis

1 ротора. Конфигурация опорного обода 14, в плоскости его образующей, выбрана таким образом, чтобы расстояние Д между двумя точками пересечения К и С опорного обода 14 с прямой, проходящей через ось 1 ротора при любом угле поворота а было постоянным и равно расстоянию между точками соприкосновения противолежащих опорных роликов 15, установленных по середине поперечных планок 9 на внешних сторонах, с внутренней поверхностью опорного обода 14.1 rotor. The configuration of the support rim 14, in the plane of its generatrix, is selected so that the distance D between the two points of intersection K and C of the support rim 14 with a straight line passing through the axis 1 of the rotor at any angle of rotation a is constant and equal to the distance between the points of contact of opposite supporting rollers 15 mounted in the middle of the transverse bars 9 on the outer sides, with the inner surface of the support rim 14.

На фиг.2 изображена схематически ось 1 ротора с проходящими через нее парными рычажными рейками 7 и 8, установленная в раме 2 колеса. Отверстия 10 в оси 1 ротора для различных пар рычажных реек 7 и 8 расположены симметрично относительно центра. Расстояния между парами отверстий 10 L1 и L2 выбраны таким образом, что бы исключить касание между рейками 7 и 8 при их движении во время вращения колеса.Figure 2 shows schematically the axis 1 of the rotor with passing through it a pair of lever rails 7 and 8, mounted in the frame 2 of the wheel. The holes 10 in the axis 1 of the rotor for various pairs of lever rails 7 and 8 are located symmetrically with respect to the center. The distances between the pairs of holes 10 L1 and L2 are selected in such a way as to prevent contact between the rails 7 and 8 when they move during rotation of the wheel.

На фиг.3 изображена схематически конструкция консоли одной пары рычажных реек 7 с поворотной лопастью 4, создающей вращающий момент, опирающейся через опорный ролик 15 на опорный обод 14. Опорный ролик 15 с помощью кронштейнов 16, как и в остальных случаях, установлен по центру на внешней стороне от их консолей, а на рычажных рейках 7, на расстоянии четверти длины лопасти 4 от их консолей на стороне, противоположной направлению вращения ротора, закреплены ушки 17 для осей 18, поворачивающихся на угол от 0° до 90° лопастей 3, 4, 5, 6, которые имеют в поперечном сечении профиль крыла летательного аппарата с выпуклостью, совпадающей с направлением результирующего момента вращения ротора. Длина лопастей 3, 4, 5, 6 не должна превышать минимальное расстояние между осью 1 и, смещенным относительно ее, опорным ободом. Оси 18 закреплены по бокам лопастей 3-6 и отстоят от их внешних кромок на одну четверть длины этих лопастей. Опорный обод 14 в поперечном сечении может быть в виде кольца, квадрата, прямоугольника или швеллера, опорные ролики 15 в осевой продольном сечении профилированы по форме внутреннего обвода сечения опорного обода 14.Figure 3 shows schematically the design of the console of one pair of lever rails 7 with a rotary blade 4, which creates a torque, resting through the support roller 15 on the support rim 14. The support roller 15 with the brackets 16, as in other cases, is centered on on the outer side of their consoles, and on the lever rails 7, at a quarter of the length of the blade 4 from their consoles on the side opposite to the direction of rotation of the rotor, the ears 17 are fixed for the axes 18, turning at an angle from 0 ° to 90 ° of the blades 3, 4, 5, 6, which are transversely section, the profile of the wing of the aircraft with a convexity that coincides with the direction of the resulting moment of rotation of the rotor. The length of the blades 3, 4, 5, 6 should not exceed the minimum distance between the axis 1 and, offset relative to it, the support rim. The axis 18 is fixed on the sides of the blades 3-6 and is one quarter of the length of these blades from their outer edges. The support rim 14 in cross section may be in the form of a ring, square, rectangle or channel, the support rollers 15 in the axial longitudinal section are profiled in the shape of the inner contour of the cross section of the support rim 14.

При воздействии течения воды или ветра с силой F на лопасти 3 и 4 возникают моменты вращения относительно оси 1 ротора. У каждой из противолежащих лопастей 3 и 4 моменты вращения направлены в противоположные стороны. Результирующий момент для пары лопастей 3, 4 будет определяться разностью моментов вращения этих лопастей. При смещенном положении опорного обода 14 вдоль его оси симметрии парные рычажные рейки 7 с лопастями 3, 4, прокатываясь на опорных роликах 15 по опорному ободу 14, буду смещаться в отверстиях 10 оси 1, что приведет к изменению длины рычагов R1 и R2, отсчитываемых от центра оси 1 до центра лопастей 3 и 4. Рычаг с длиной R1 лопасти 4, находящийся на стороне совпадающей с направлением смещения опорного обода 14 относительно центра оси 1, будет больше рычага лопасти 3 с длиной R2, расположенной на другой стороне оси 1. В соответствии с этим при равенстве площадей противолежащих лопастей 3 и 4 и равенстве сил F, воздействующих на них, вращающие моменты M1 и М2 противолежащих лопастей 3 и 4 будут разные по величине и противоположные по направлению. Момент М2 будет тормозящим. Результирующий момент вращения пары лопастей 3, 4 будет равен разности моментов M_peз=M1-M2=F×(R1-R2).When exposed to the flow of water or wind with a force F on the blades 3 and 4, there are moments of rotation about the axis 1 of the rotor. At each of the opposing blades 3 and 4, the moments of rotation are directed in opposite directions. The resulting moment for a pair of blades 3, 4 will be determined by the difference in the moments of rotation of these blades. With the displaced position of the support rim 14 along its axis of symmetry, the pair of lever rails 7 with blades 3, 4, rolling on the support rollers 15 along the support rim 14, will shift in the holes 10 of the axis 1, which will lead to a change in the length of the levers R1 and R2, counted from the center of the axis 1 to the center of the blades 3 and 4. The lever with a length R1 of the blade 4 located on the side coinciding with the direction of displacement of the support rim 14 relative to the center of the axis 1 will be larger than the lever of the blade 3 with a length R2 located on the other side of the axis 1. In accordance with this with equal areas opposing blades 3 and 4 and the equality of the forces F acting on them, the torques M1 and M2 of opposing blades 3 and 4 will be different in magnitude and opposite in direction. Moment M2 will be braking. The resulting moment of rotation of the pair of blades 3, 4 will be equal to the difference in moments M _pez = M1-M2 = F × (R1-R2).

За счет размещения лопастей на поворотных осях 18 лопасть 3 под действием набегающего потока ветра или воды может отклонятся на угол до 90°, в результате чего произойдет уменьшение эффективной площади лопасти 3, что в свою очередь приведет к еще большему уменьшению тормозящего момента М2. Максимальное значение результирующего вращающего момента ветроводяного колеса будет равно сумме разностных моментов всех пар противолежащих лопастей. При строго горизонтальном положении рычажных реек Вив пределах угла отклонения от горизонтали, не превышающего некоторого критического значения, за счет аэродинамических сил при выбранном профиле всех лопастей, крутящие моменты лопастей 5 и 6 будут совпадать по направлению, т.е. крутящие моменты лопастей 5 и 6 в пределах некоторого угла будут суммироваться, Due to the placement of the blades on the rotary axes 18, the blade 3 can be deflected by an angle of up to 90 ° due to the incident wind or water flow, which will result in a decrease in the effective area of the blade 3, which in turn will lead to an even greater decrease in the braking moment M2. The maximum value of the resulting torque of the wind wheel will be equal to the sum of the difference moments of all pairs of opposing blades. With a strictly horizontal position of the lever rails Viv within the angle of deviation from the horizontal, not exceeding a certain critical value, due to aerodynamic forces with a selected profile of all blades, the torques of the blades 5 and 6 will coincide in direction, i.e. the torques of the blades 5 and 6 within a certain angle will be summed,

что дополнительно повысит результирующий вращающий момент колеса. При одинаковых площадях лопастей и их конфигурации максимальный вращающий момент предложенной полезной модели в 1,5 раза больше, чем у прототипа.which will further increase the resulting wheel torque. With the same areas of the blades and their configuration, the maximum torque of the proposed utility model is 1.5 times greater than that of the prototype.

Таким образом, конструкция предложенной модели, используя аэродинамику одних пар лопастей и варьирование длин рычагов R1/R2 других пар лопастей позволят достичь более высокого КПД преобразователя энергии.Thus, the design of the proposed model using the aerodynamics of one pair of blades and varying the lengths of the levers R1 / R2 of other pairs of blades will allow to achieve a higher efficiency of the energy converter.

Claims

1. A wind-driven wheel containing a rotor with an axis, a stator in the form of a frame and at least four blades placed at the ends of a pair of lever rails fastened by transverse bars, freely passing through holes in the axis moving when the rotor rotates, a support rim placed in a plane, perpendicular to the axis of the rotor, mounted on top and bottom inside the frame in its middle, supporting rollers of the lever frames placed in the middle of the transverse bars on the outside and resting on the supporting rim from the inside, characterized in that the rim has one o symmetry along which it is offset relative to the center of the axis of rotation of the rotor, and the distance between two points of intersection of the working surface of the support rim with a straight line passing through the center of the axis of the rotor at any angle of inclination of the line is constant and equal to the distance between the points of contact of opposite supporting rollers with the inner surface support rim.

2. The wind wheel according to claim 1, characterized in that the blades in cross section are the wing profile of the aircraft with a convexity that coincides with the direction of the resulting rotor torque, mounted on axes mounted on lever rails, one quarter of the length of the blades from their consoles, on the side opposite to the direction of rotation of the rotor, resting on lever rails and capable of turning in the wind at an angle from 0 to 90 °.

3. The wind-driven wheel according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the length of the blades does not exceed the minimum distance between the axis and the supporting rim, and the axis of rotation of the blades is a quarter of the length of these blades from their outer edges.