SE515161C2 - Rotor för omvandling av energi - Google Patents

Description

515161 2 Ytterligare ett problem är att kända rotorer ger upphov till kraftigt ljud, av många betraktat som ett oljud.

Uppfinningens syften Ett första syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett effektivt tillvaratagande av energi, exempelvis vindkraft.

Ett andra syfte med uppfinningen är att åstadkomma en rotor som är billig och enkel att tillverka.

Ett tredje syfte med uppfinningen är att åstadkomma en rotor som är relativt tystgàende.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa syften uppnås med en rotor av ovanstående slag, med de kännetecken som anges i patentkravet 1.

När en rotor enligt uppfinningen utnyttjas för att utvinna energi ur ett flöde, exempelvis en luftström, anordnas rotorn så att flödet strömmar i axiell riktning och först träffar bladens framkant. Varje blad verkar härvid till att tvinga flödet att ändra sin rörelse- riktning, från väsentligen parallell med rotationsaxeln till väsentligen periferiell med rotationsaxeln. Denna omstyrning av flödet ger upphov till en kraft i peri- feriell led, som ger upphov till ett vridmoment kring rotationsaxeln. Ett flertal blad är anordnade att sam- verka, varför hela rotorn vid påverkan av ett fluidflöde bringas i rotation.

Det flöde som passerar varje blads bortre kant uppnår vidare relativt höga strömningshastigheter, och skapar därmed en ejektorverkan, som medbringar väsentligen stillastående fluid från bladets läsida.

Därmed skapas ett visst undertryck bakom bladet, som ytterligare förstärker vridmomentet.

Eftersom hela flödet bringas att ändra sin ström- ningsriktning, tillåts väsentligen ingen luft att passera l5 515161 3 förbi rotorn, och bakom rotorn bildas en vak, som efter hand fylls pä av omgivande fluid.

Vid prov som under sekretess gjorts med en prototyp av uppfinningen i ett vindflöde, har tillförsel av rök avslöjat ett strömningsmönster ungefär som visat i fig l.

Bladens konstruktion och orientering, och den ström- ningsbild som de ger upphov till, leder till en anmärk- ningsvärd effektutvinning. Ovannämnda prov genomfördes med en prototyp av uppfinningen som har en vindupptagande yta pà omkring en kvadratmeter, i vindstyrkor på omkring m/s. Effekten som kunde utvinnas var omkring 200 Watt, vid omkring 140 varv/minut. Denna effekt var i högsta grad överraskande.

Det har vidare konstaterats att rotorn uppnår väsentligen sin fulla effekt omedelbart efter uppstart.

Möjligt effektuttag är således oberoende av varvtalet.

Vinkeln mellan ett tänkt plan som förbinder bladets fram- och bakkant och rotationsaxeln ligger lämpligen i intervallet 30 till 50 grader, företrädesvis omkring 45 grader.

Bladet ligger vid framkanten ett plan som med rotationsaxeln bildar en ingàngsvinkel som ligger i intervallet mellan 0 grader och 10 grader.

Vid bakkanten ligger bladet i ett plan som med rotationsaxeln bildar en utgàngsvinkel som ligger i intervallet mellan 80 grader och 100 grader.

Bladen är enligt en utföringsform av uppfiningen vridbara kring en vridaxel som ligger i ett normalplan till rotationsaxeln, för reglering av bladets orien- tering. Denna reglering möjliggör en variation av rotorns vridmoment och varvtal. Det kan vid kraftiga strömningshastigheter vara fördelaktigt att minska bladets vinkel mot fluidflödet.

Vridaxeln sträcker sig företrädesvis väsentligen radiellt ut från rotationsaxeln. Enligt en speciellt föredragen utföringsform är vridaxeln endast parallell- 515161 4 förflyttad ett kort stycke fràn en fràn rotationsaxeln utgàende radie.

Bladen kan vidare vara fjäderbelastat vridbara kring vridaxeln, för automatisk anpassning till ström- ningshastigheten.

Kort beskrivning av ritningarna Föreliggande uppfinning kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade rit- ningar, vilka i exemplifierande syfte visar föredragna utföringsformer av uppfinningen.

Fig 1 är en schematisk skiss av strömning förbi en rotor enligt en utföringsform av uppfinningen.

Fig 2 är en perspektivvy av en utföringsform av en rotor enligt uppfinningen.

Fig 3 är en schematisk skiss av hur regleringsdonet i rotorn i fig 2 fungerar.

Beskrivning sv en föredraqen utförinqsform Den i fig 2 visade rotorn 1 har ett flertal, i det visade fallet fyra, blad 2, vilka är anordnade att rotera kring en rotationsaxel 3. Rotorn 1 är avsedd att rotera i en fluid, som strömmar förbi rotorn i en strömnings- riktning A.

Varje blad 2 utgörs enligt den visade utförings- formen av en enkelkrökt yta, vars generatris, dvs den räta linje som genererar ytan, ligger i ett normalplan till rotationsaxeln. Bladets 2 krökning framgår tydligare av fig 3, och kommer att diskuteras närmare nedan. Bladet 2 har en framkant 5 som är vänd mot fluidens strömnings- riktning A, och alltsà är den del av bladet som först träffas av den mot rotorn 1 strömmande fluiden. Bladet har vidare en bakkant 6 som alltså är belägen nedströms framkanten 5.

Ett tänkt plan 7 som förbinder framkanten 5 och bak- kanten 6 bildar en spetsig vinkel a mot rotationsaxeln 3. 515161 Denna vinkel kan exempelvis ligga i intervallet mellan 30 och 50 grader, och företrädesvis vara omkring 45 grader.

I det visade exemplet är bladet rektangulärt och i det närmaste kvadratiskt. Denna utformning har visat sig vara fördelaktig, men skall inte ses som begränsande för uppfinningen.

Varje blad 3 är vridbart anordnat på en vridaxel 8, som ligger i ett normalplan till rotationsaxeln, och är belägen någonstans mellan fram- och bakkanterna.

Vridaxeln 8 sträcker sig väsentligen radiellt ut från rotationsaxeln 2, och är företrädesvis parallell- förflyttad ett stycke d i förhållande till en tänkt radie 9 till rotationsaxeln.

Vridaxeln är företrädesvis belägen pà bladets 2 läsida 2a, dvs den sida som är vänd bort från ström- ningsriktningen.

Enligt det visade exemplet är de fyra vridaxlarna 8 anordnade i fyra plåtar 10, vilka är symmetriskt anord- nade kring rotationsaxeln 3. Plàtarna kan vara monterade, exemplevis svetsade, på en rörstomme eller en ring ll, men kan alternativt vara förbundna med varandra. Ringen 11 och plàtarna 9 bildar en navkonstruktion 12.

Bladen 2 är företrädesvis fjädrande vridbara kring sina respektive vridaxlar 8. Fjädringen kan exempelvis åstadkommas såsom enligt den visade utföringsformen, där ett fjädrande element, exempelvis en skruvtryckfjäder 13, är koncentriskt anordnat i förhållande till rotations- axeln 3 nedströms navkonstruktionen 12. Skruvfjädern 13 kan vara anordnad runt en stång 14, vilken sträcker sig ett stycke uppströms, och är fast anbringad i nav- konstruktionen 12.

Vid skruvfjäderns 13 ena ände l3a är ett ringformigt löparelement 15 anordnat kring stången 14, så att det är skjutbart mot skruvfjäderns 13 fjäderverkan. Skruv- fjäderns 13 andra ände l3b är fixerad i förhållande till stången 14, exempelvis genom att vara fast anbringad vid 515161 6 stången, eller genom att ett mothàll 18 är anordnat som anslagsyta för skruvfjädern 13.

Enligt den visade utföringsformen är ett stag 16 fast anbringat parallellt med varje blads framkant 5, vilket stag 16 sträcker sig ett stycke i riktning in mot rotationsaxeln 3. En länkarm 17 är i sin ena ände l7a vridbart anordnad i stagets 16 närmast rotationsaxeln 3 belägna ände och i sin andra ände 17b vridbart anordnad i löparelementet 15.

I fig 3 visas mer i detalj hur bladets 2 yta enligt denna utföringsform är krökt. En tänkt linje mellan fram- kanten 5 och en mitt för vridaxeln 8 belägen punkt P på bladet 2 bildar omkring 20 graders vinkel ß med rota- tionsaxeln 3. Därefter fortsätter bladets krökning, så att en tänkt linje mellan bladets framkant S och dess bakkant 6 bildar omkring 45 graders vinkel y med rota- tionsaxeln. Vid framkanten 5 bildar bladet en vinkel Q med strömningsriktningen A och rotationsaxeln 3, vilken vinkel Q ligger i intervallet mellan 0 och 10 grader, medan bladet 2 vid bakkanten 6 bildar en vinkel Ö med strömningsriktningen A och rotationsaxeln 3, vilken vinkel Ö ligger i intervallet mellan 80 och 100 grader.

Rotorns funktion kommer i det följande att beskrivas med utgångspunkt från att rotorn används för tillvara- tagande av energi ur en förbiströmmande fluid, exempelvis luft. I det fall då funktionen är den omvända, dvs då rotorn omvandlar rotationsenergi till ett fluidflöde, måste nedanstående beskrivning anpassas därtill. Detta vållar inga problem för fackmannen.

När den strömmande fluiden träffar bladens 2 fram- kanter 5, följer flödet bladens krökning och böjs därmed av. Denna avböjning, som är en acceleration i sidled, ger upphov till en centrifugalkraft som påverkar bladen 2 i en i förhållande till rotationsaxeln 3 periferiell rikt- ning, varvid ett vridmoment M1 uppstår. Bladen 2 är anordnade vid rotorn så att dessa vridmoment samverkar, och således driver runt rotorn 1 och driver eventuell 515161 7 därtill ansluten utrustning för tillvaratagande av energi.

Eftersom vridaxeln 8 är belägen på bladets 2 läsida, är vidare bladets lovartsida, alltså den sida som vetter i riktning mot fluidflödet, helt slät, vilket befrämjar den jämna strömningen.

När flödet passerar bladets 2 bakkant 6 har ström- ningsriktningen förändrats till att vara riktad ut från rotationsaxeln 3 istället för att vara parallell med rotationsaxeln. I det visade exemplet är strömnings- riktningen vid bladets 2 bakkant väsentligen vinkelrät ut från rotationsaxeln, och ligger alltså i ett normalplan till rotationsaxeln 3.

På grund av bladets jämna krökning minskar inte flödets strömningshastighet, utan ökar tvärtom, eftersom all fluid som strömmar in mot bladets upptagningsarea, som utgörs av en planprojektion 19 av bladet tvärs strömningsriktningen, bringas att passera bakkanten 6.

Det är således viktigt att avpassa bladets krökning rätt, så att ett lämpligt förhållande uppnås mellan bladets upptagningsyta, dess krökning och dess längd. Bladets krökning tillsammans med dess längd avgör vinkeln a.

Fluiden bringas alltså att passera bakkanten 6 med en hastighet som överstiger den ursprungliga strömnings- hastigheten. Detta skapar en ejektorverkan, varvid fluiden vid läsidan medförs av det förbi bakkanten 6 strömmande fluidflödet B. Denna ejektorverkan skapar ett visst undertryck på bladets 2 läsida, vilket ytterligare förstärker rotorns vridmoment M1.

På grund av att väsentligen all fluid som strömmar i riktning längs rotationsaxeln 3 böjs av och istället bringas att strömma ut från rotationsaxeln, bildas nedströms rotorn ett relativt strömningsfritt område, dvs en vak 20. I denna vak 20 kan, med en väl avvägd ut- formning av bladen 2, råda väsentligen stiltje. Ett fluidflöde C skapas därvid in mot vaken, såsom visas i fig 1. 515161 8 Förutom den periferiella kraften F1, som ger upphov till momentet M1, pâverkas varje blad av en kraft F2, som orsakar ett moment M2. Detta moment strävar efter att vrida bladet kring vridningsaxeln 8. Denna vridnings- rörelse hindras av staget 16, som via länkarmen 17 hålls fixerat av löparelementet 15. Vid tillräckligt hög ström- ningshastighet blir momentet M2 emellertid så stort att löparelementet förskjuts längs stången 14 mot skruv- fjäderns 13 verkan.

Den vridning som härmed åstadkommes av bladet leder till en minskning av avböjningen av fluidflödet, eftersom bladets upptagningsarea minskar. Dessutom kan nu ett visst flöde strömma mellan bladens framkanter, nära rotationsaxeln 3, in på bladets läsida, vilket förstör det undertryck som tidigare rådde där. Sammantaget leder detta til att momenten M1 och M2 minskar. Vridningen av bladet 2 blir därmed självreglerande, så att vinkeln a antar ett sådant värde att momentet M2 uppväger skruv- fjäderns 13 fjäderverkan. Ett lämpligt val av fjäder- element ger alltså en önskad reglering av rotorns vridmoment M1.

Det inses att en mängd varianter av ovanstående utföringsform är möjliga inom ramen för efterföljande patentkrav. Uppfinningstanken avser dock samtliga rotorer, vilka medelst enkelkrökta blad skapar en sådan avböjning av ett fluidflöde som beskrivs i föreliggande ansökan.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 515161 9 PATENTKRAV

1. Rotor avsedd att rotera i en fluid som strömmar i en strömningsriktning (A), innefattande àtminstone tvà, kring en rotationsaxel (3) roterbara blad (2), kåânrie - tecknad av att varje blad (2) utgörs av en enkelkrökt yta, vars generatris ligger i ett normalplan till rotationsaxeln, varvid bladet (2) har en mot strömningsriktningen (A) vänd framkant (5), vilken sträcker sig väsentligen radiellt utàt fràn rotationsaxeln (3) och vilken ligger i ett plan som med rotationsaxeln (3) bildar en ingångs- vinkel (o), som ligger i intervallet mellan 0 grader och 10 grader, och en nedströms framkanten (5) belägen bakkant (6), vilken ligger i ett plan som med rotationsaxeln (3) bildar en utgàngsvinkel (Ö), som ligger i intervallet mellan 80 grader och 100 grader, varvid ett tänkt plan (7) som förbinder nämnda fram- och bakkant bildar en spetsig vinkel (a) med rotationsaxeln (3), och av att varje blad är vridbart kring en vridaxel (8) för reglering av vinkeln (d), vilken axel (8) ligger i ett normalplan till rotationsaxeln (3) och är parallell- förlyttad ett stycke (d) i förhållande till en tänkt radie (9) ut fràn rotationsaxeln (3).

2. Rotor enligt krav 1, varvid vinkeln (a) ligger i intervallet 30 till 50 grader, företrädesvis omkring 45 grader.

3. Rotor enligt krav 1 eller 2, varvid bladen är fjäderbelastat vridbara kring vridaxeln (8), för auto- matisk anpassning av vinkeln (d) till strömnings- hastigheten. 515161 10

4. Rotor enligt något av föregående krav, inne- fattande fyra blad (2).

5. Rotor enligt något av föregående krav, varvid 5 rotorn används vid tillvaratagande av vindkraft.

6. Rotor enligt något av föregående krav, varvid rotorn används vid tillvaratagande av vattenkraft. 10