UA124216C2 - Ротор вітродвигуна з вертикальною віссю обертання конструкції гриценка - Google Patents

Abstract

Винахід стосується ротора вітродвигуна з вертикальною віссю обертання, що містить лопаті, встановлені на осях, паралельних до вала обертання вітроколеса. Кожна лопать має вертикальний осьовий обтічник потоків (4) з горизонтальними каналами концентратора потоків (5). Робочі лопатки-жалюзі концентратора потоків (6) розміщені вертикально, симетрично й різнонаправлено по обидва боки відносно вертикального осьового обтічника потоків (4) та кріпляться до нього в місцях проходження горизонтальних перегородок між каналами концентратора потоків (5) за допомогою горизонтальних нервюр-обтічників (7). Лопать має вертикальні стійки-обтічники поздовжнього хвостового сопла (8), хвостову лопатку (9) управління концентрованими в каналах (5) лопаті потоками, котра шарнірно закріплена на лопаті на вертикальній осі обертання (10). Лопать також має торцеві горизонтальні нервюри (11), до яких у хвостовій частині прикріплені гнучкі тяги (12), котрі через упори (13а) шарнірно зв'язують лопать (1) з упорами (13) на кільцевій конструкції (2) вітроколеса. Тяги хвостової лопатки (14) шарнірно скріплені одним кінцем з хвостовою лопаткою (9) через упори (14а), а іншим - з гнучкою тягою (12) лопаті. Хвостові нервюри (15) лопаті утворені за рахунок потовщених горизонтальних перегородок між каналами концентратора потоків (5) вертикального осьового обтічника потоків (4), подовжених на хвостову частину лопаті, та скріплених з ними горизонтальних нервюр-обтічників (7). Винахід забезпечує більш високий показник сприйнятої лопаттю енергії потоку за рахунок оптимізації векторів дії тиску потоку вітру на лопать та вектора передачі лопаттю обертового моменту сили на вітроколесо, а також зменшення сил гальмування потоку повітря, що діє на лопаті під час їх руху навколо осі вітроколеса, з одночасним використанням енергії реактивної тяги рушійного та гальмуючого потоків повітря для забезпечення вищої лінійної швидкості руху лопатей вітроколеса та підвищення потужності вітродвигуна.

Description

Винахід належить до конструктивних елементів вітродвигунів, що перетворюють поступальний рух вітру в обертовий рух вала двигуна.

Відомі конструкції роторів вітродвигунів за кл. РОЗО 1/00 з горизонтальною віссю обертання є найбільш поширеними внаслідок оптимального розміщення лопатей відносно рушійного потоку вітру, їх руху в площині, перпендикулярній до вектора потоку та кращого співвідношення потужності, маси і вартості конструкції. Недоліком цих роторів є обмеження по розміру лопатей і швидкості потоку, який ці лопаті здатні сприймати при оптимальному куті їх розміщення відносно потоку. Вітродвигуни потужності понад 500 кВт при швидкостях вітру понад 10 м/сек за рахунок саморозвороту лопатей на зменшення кута розміщення лопаті відносно вектора потоку вітру стабілізують свою потужність, не сприймаючи підвищення енергії потоку до сили, здатної зруйнувати конструкцію вітряка. Консольне кріплення лопатей цих двигунів, високооборотний ротор та високі швидкості на незакріплених кінцях лопатей, знижують стійкість конструкції та призводять до вібрацій і шумів, котрі негативно впливають на навколишнє середовище.

Відомі вітродвигуни за кл. РОЗО 3/00 з вертикальною віссю обертання мають робочі лопаті, закріплені на роторі двигуна жорстко або шарнірно, наприклад вітродвигуни за патентами ВЕ 9100301, 1991; СЕ 8708163, 1987; ОЕ 3919319, 1991; ЕР 89104853, 1989; 05 5642983, 1995; УМО 9108394, 1991; УМО 9720142, 1996; УМО 9813602, 1997; ЗИ 1820024, 1993; КО 2044157, 1995 та інші аналоги не знаходять широкого застосування і не конкурентоздатні відносно відомих ефективних конструкцій вітродвигунів з горизонтальною віссю обертання, які в даний час широко використовуються у вітроенергетиці. Лопаті цих двигунів мають низькі показники сприйняття енергії внаслідок неоптимального кута розвороту відносно вектор відносно їх руху та до потоку у більшості точок повороту вітроколеса, а оптимальне їх розміщення відносно потоку вітру співпадає з найбілошими швидкостями їх супутнього руху відносно потоку, що нівелює сприйняття потоку вітру. Ефективність цих двигунів значно знижує наявність значної частки непрацюючих лопатей, котрі рухаються назустріч потоку та низьке співвідношення потужності та пасивної маси двигуна, при приблизно рівних граничних показниках розмірів та потужності, відносно двигунів з горизонтальною віссю обертання. Можливою сферою конкурентоздатності вітродвигунів з вертикальною віссю обертання є побудова вітродвигунів потужністю понад 5 МВт. Проте при збільшенні діаметра вітроколеса, відповідно, зростає

Зо лінійна швидкість руху лопатей навколо осі обертання вітроколеса, що призводить до зниження показника сприйняття енергії вітру у секторі їх супутнього руху відносно вектора потоку з одночасним зростанням дії на лопаті сил супротиву повітря внаслідок зростання швидкості їх руху, що проявляється в ефекті стабілізації кутової швидкості обертання колеса в режимі вільного обертання. Даний ефект накладає обмеження на показники кутової швидкості обертання вітродвигунів цього класу при збільшенні діаметра вітроколеса, та обмежує можливості зростання їх потужності.

Відома конструкція ротора для вітродвигуна з вертикальною віссю обертання за патентом

Російської Федерації Мо 2014486, за кл. БОЗО 3/06, БОЗВ 7/00, 17/06 заявка від 27.06.1991.

Аерогідродинамічний двигун Степанова - прототип 1. Лопаті симетрично розміщені навколо вала, встановлені шарнірно на осях, паралельних до осі обертання, лопаті виконані у вигляді двох нерівних відносно осі обертання лопаті частин, мають симетричну форму відносно подовжньої осі. Ці ознаки співпадають з ознаками винаходу.

Аналог має обтічні бокові площини.

Відома також конструкція ротора за патентом України Мо 79236 за кл. ЕОЗО 3/00, РОЗО 7/06 (2007.01) заявка від 14.10.2003. Вітродвигун підвищеної потужності конструкції Гриценка - прототип 2. Лопаті конструкції прототипу 1 шарнірно закріплені до кільцевих елементів жорсткої каркасної одно - або багатоярусної конструкції вітроколеса, до яких регульовано кріпляться упори, зв'язані з лопатями гнучкими тягами, довжина яких може регулюватись, котрі обмежують кут саморозвороту лопатей, при цьому саморозворот лопатей відносно вектора їх руху при обертанні вітроколеса відбувається при їх наближенні до площини, що перпендикулярна до напряму потоку і проходить через вісь вала двигуна при супутньому відносно вектора потоку русі. Ці ознаки також співпадають з ознаками винаходу.

Недоліками роторів, взятих як аналоги є порівняно низький коефіцієнт відбору енергії потоку внаслідок високого співвідношення між непрацюючими лопатями, котрі рухаються назустріч потоку, робочими лопатями, які з максимальною швидкістю рухаються супутньо йому та робочими лопатями, котрі ефективно відбирають енергію потоку (аналог 1), а також невідповідність між вектором передачі лопаттю обертового моменту сил на вітроколесо та вектором дії тиску потоку на лопать (аналог 2).

В основу винаходу поставлена задача створення конструкції ротора до вітродвигунів з бо вертикальною віссю обертання з більш високим показником сприйнятої на двигун енергії потоку вітру в порівнянні з прототипами за рахунок зменшення кутів між векторами дії тиску потоку вітру на лопать та вектором передачі лопаттю обертового моменту сили на вітроколесо, зменшення сил гальмування потоку повітря, що діє на лопаті внаслідок їх руху навколо осі вітроколеса, який можна характеризувати як набігаючий на лопать при її русі навколо осі вітроколеса, з одночасним використанням енергії реактивної тяги рушійного та гальмуючого потоків повітря для забезпечення вищої лінійної швидкості руху лопатей вітроколеса та підвищення потужності вітродвигуна.

Поставлена задача вирішується за рахунок суміщення в конструкції лопаті двох рядів симетрично розміщених у формі жалюзі робочих лопаток, розміщених як конструктивні елементи лопаті, котрі безпосередньо сприймають тиск потоку вітру та тиск набігаючого на лопать внаслідок її руху гальмуючого потоку повітря, а після обтікання потоками цих робочих лопаток забезпечення концентрації і прискорення діючих потоків в каналах всередині самої лопаті, та використання як тягової для вітродвигуна енергії реактивної тяги, яка виникає при виході з каналів через подовжнє сопло в хвостовій частині лопаті потоків повітря, прискорених у внутрішніх каналах лопаті, та механізму регулювання оптимального кута вектора дії на вітроколесо сили цієї реактивної тяги із забезпеченням автоматичної зміни відносно подовжньої осі лопаті цього вектора при саморозвороті лопаті.

Винахід належить до конструктивних елементів вітродвигунів, які перетворюють енергію вітру в обертальний рух валу двигуна, котрий розміщений вертикально і перпендикулярно до вектора рушійного потоку.

Суть винаходу пояснюють креслення.

На фіг. 1 представлено поперечний розріз А-А лопаті.

На фіг. 2 представлено ізометричне зображення та означення розрізу А-А лопаті.

На фіг. З представлено позиції саморозвороту лопатей у поперечному горизонтальному розрізі вітроколеса.

На фіг. 4, 5, 6 представлено вектори руху та вектори дії на лопать сил повітряних потоків у трьох можливих позиціях саморозвороту лопатей вітроколеса відповідно у секторах Еї, Ег2, Ео фіг. 3.

Лопать 1 закріплена на кільцевій конструкції вітроколеса 2 шарнірно на осі її обертання 3,

Зо має вертикальний осьовий обтічник потоків 4 з горизонтальними каналами концентратора потоків 5, робочі лопатки жалюзі концентратора потоків 6 розміщені вертикально симетрично по обидва боки відносно вертикального осьового обтічника потоків 4, котрі кріпляться до нього в місцях проходження горизонтальних перегородок між каналами концентратора потоків 5 з допомогою горизонтальних нервюр-обтічників 7, вертикальні стійки-обтічники поздовжнього

З5 хвостового сопла 8, хвостову лопатку 9 управління потоками, концентрованими в каналах концентратора потоків 5 лопаті, хвостова лопатка шарнірно закріплена на лопаті на вертикальній осі обертання 10, (фіг. 1, фіг. 2). Лопать має торцеві горизонтальні нервюри 11, до яких у хвостовій частині прикріплені гнучкі тяги лопаті 12, котрі через упори 1З3а шарнірно пов'язують лопать 1 з упорами 13 на кільцевій конструкції вітроколеса 2, тяги хвостової лопатки 14 шарнірно скріплені одним кінцем з хвостовою лопаткою 9 через упори 14а, а іншим - з тягою 12, хвостові нервюри 15 лопаті утворені за рахунок потовщених горизонтальних перегородок між каналами концентратора потоків вертикального осьового обтічника потоків 4, подовжених на хвостову частину лопаті, та скріплених з ними горизонтальних нервюр-обтічників 7 (фіг. 1, фіг. 2). Функцію лонжеронів у лопаті 1 виконують вісь обертання лопаті 3, вісь обертання хвостової лопатки 10, вертикальний осьовий обтічник потоків 4, робочі лопатки 6, вертикальні стійки-обтічники поздовжнього хвостового сопла 8, що у сукупності з нервюрами забезпечує стійкість конструкції лопаті до навантажень (фіг. 1, фіг. г).

Під дією потоку вітру лопаті 1 під час обертання вітроколеса в секторі Еї саморозвертаються хвостовою частиною у бік осі обертання вітроколеса, у секторі Ег лопать під дією потоку вітру, набігаючого потоку та відцентрових сил саморозвертається хвостовою частиною у зовнішній відносно кільцевої конструкції вітроколеса бік, а у секторі Ео розміщується флюгерно відносно вектора рушійного потоку (фіг. З).

На фіг. 1, 4, 5, 6 показано вектори М руху: Мв - вектор руху потоку вітру; Мн - вектор набігаючого на лопать при русі вітроколеса потоку повітря; Мк - вектор руху прискорених в концентраторі 5 потоків вітру і набігаючого потоків; Ур - вектор руху потоку реактивної тяги; Мл - вектор руху лопаті при обертанні вітроколеса, а також вектори дії відповідних сил Р при взаємодії вказаних потоків з лопаттю: Рв - вектор дії сили потоку вітру; Рн - вектор дії сили набігаючого на лопать при її русі потоку повітря;

Рр - вектор дії сили реактивної тяги; Рл - вектор дії на вітроколесо результуючої сил, що 60 впливають на лопать.

На фіг. 4 показано вектори руху М, а також вектори дії відповідних сил Р при взаємодії з лопаттю у секторі Е: (фіг. 3).

На фіг. 5 показано вектори руху М, а також вектори дії відповідних сил Р при взаємодії з лопаттю у секторі Ег (фіг. 3.)

На фіг. 6 показані вектори руху М та дії сил Р при розміщенні лопаті флюгерно, при її русі назустріч потоку вітру Мв у секторі Ео (фіг. 3).

Як наслідок, в секторах Еї, Ег, Ео фіг. 3, 4, 5, 6 отримуємо більш оптимальні відносно вектора руху лопаті Мл вектори дії сил потоку вітру Рв та значне зменшення гальмувального ефекту сили Рн набігаючого на лопать потоку. Крім того відбувається концентрація та прискорення шляхом багатоступеневого дросельного нагнітання потоків всередині лопаті в каналах концентратора потоків 5 та їх дія на лопать і вітроколесо як додаткової реактивної тяги

Рр, котра також підвищує потужність вітродвигуна та нівелює зменшення сприйняття лопатями вітродвигуна енергії вітру при їх прискореному лінійному русі у секторі Е: супутньо до вектора потоку вітру Це дозволяє вирішити ключовий конструктивний недолік вітродвигунів з вертикальною віссю обертання - обмеження росту їх потужності при збільшенні діаметра вітроколеса, внаслідок прямо взаємопов'язаного ефекту, одночасного зростання лінійної швидкості руху лопаті, зростання гальмувального ефекту набігаючого на лопать при її прискореному русі потоку та падіння сприйняття енергії вітру при прискореному супутньому до нього русі лопаті. Вирішення цього головного конструктивного протиріччя дасть змогу ефективно нарощувати розміри і потужність вітродвигунів з вертикальною віссю обертання, розширити діапазон ефективного сприйняття ними швидкості і енергії вітру, зробити їх конкурентоздатними за рахунок побудови вітродвигунів великої одиничної потужності здатних ефективно сприймати потоки вітру швидкістю понад 10 метрів на секунду відносно вітродвигунів з горизонтальною віссю обертання, які нині широко використовуються у вітроенергетиці і в силу конструктивних особливостей консольного кріплення лопатей не здатні витримувати посилені вітрові навантаження.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Зо Ротор вітродвигуна з вертикальною віссю обертання, що має шарнірно закріплені на вітроколесі лопаті, встановлені на осях, паралельних до вала обертання вітроколеса, кожна лопать виконана у вигляді двох нерівних відносно осі її обертання частин, має симетричну форму відносно подовжньої осі, лопать має шарнірне кріплення до кільцевих елементів вітроколеса, до яких регульовано кріпляться упори, зв'язані з лопаттю гнучкими тягами, довжина яких може регулюватись, котрі обмежують кут саморозвороту лопаті, при цьому саморозворот лопаті відносно вектора її руху при обертанні вітроколеса відбувається при наближенні до площини, що перпендикулярна до напряму потоку і проходить через вісь вала двигуна при супутньому русі відносно вектора потоку вітру, який відрізняється тим, що кожна лопать виконана у вигляді взаємно пов'язаних елементів і має вертикальний осьовий обтічник потоків (4) з горизонтальними каналами концентратора потоків (5), робочі лопатки-жалюзі концентратора потоків (6) розміщені вертикально, симетрично та різнонаправлено по обидва боки відносно вертикального осьового обтічника потоків (4), робочі лопатки кріпляться до нього в місцях проходження горизонтальних перегородок між каналами концентратора потоків (5) за допомогою горизонтальних нервюр-обтічників (7), лопать має вертикальні стійки-обтічники поздовжнього хвостового сопла (8), хвостову лопатку (9) управління концентрованими в каналах (5) лопаті потоками, котра шарнірно закріплена на лопаті на вертикальній осі обертання (10), лопать має торцеві горизонтальні нервюри (11), до яких у хвостовій частині прикріплені гнучкі тяги (12), котрі через упори (1За) шарнірно зв'язують лопать (1) з упорами (13) на кільцевій конструкції (2) вітроколеса, тяги хвостової лопатки (14) шарнірно скріплені одним кінцем з хвостовою лопаткою (9) через упори (14а), а іншим - з гнучкою тягою (12) лопаті, хвостові нервюри (15) лопаті утворені за рахунок потовщених горизонтальних перегородок між каналами концентратора потоків (5) вертикального осьового обтічника потоків (4), подовжених на хвостову частину лопаті, та скріплених з ними горизонтальних нервюр-обтічників (7), функцію лонжеронів у лопаті (1) виконують вісь обертання лопаті (3), вісь обертання хвостової лопатки (10), вертикальний осьовий обтічник потоків (4), робочі лопатки (6), вертикальні стійки-обтічники поздовжнього хвостового сопла (8), котрі у сукупності з горизонтальними нервюрами (7, 11, 15) забезпечують стійкість конструкції лопаті до навантажень; суміщені в конструкції лопаті два ряди різнонаправлених робочих лопаток жалюзі концентратора потоків (б) виконані з можливістю забезпечувати оптимізацію сприйняття лопаттю одним боком тиску потоку вітру бо (Рв), а другим - тиску набігаючого на лопать внаслідок її руху гальмуючого потоку повітря (Рн),

   причому зміна сприйняття цих потоків здійснюється робочими лопатками-жалюзі автоматично при саморозвороті лопаті, а після обтікання цими потоками робочих лопаток (б) здійснюється концентрація, прискорення цих потоків повітря шляхом каскадного дросельного нагнітання в каналах концентратора потоків (5), розміщених всередині лопаті, хвостова лопатка (9) лопаті та тяга хвостової лопатки (14) виконані з можливістю забезпечувати суміщення цих потоків в єдиний потік при виході через поздовжнє хвостове сопло лопаті і механізм регулювання оптимального кута вектора дії сили реактивної тяги (Рр) цього єдиного потоку на вітроколесо, а також забезпечувати автоматичну зміну відносно поздовжньої осі лопаті вектора руху потоку цієї реактивної тяги при саморозвороті лопаті. же ас ВК Я хе Е. й а Мі й Ж ще ї т ев Її С ще че ку й «І і У се» дев не сн НН ен х ж У Ж че НН сн ВМ Х Я 7 й кое ВН,

   Фіг. 1 х Ні З Еш о В, 5 Ї Й я ї 2 В Кн В КК В х ВО що і МОН п Я Ії ОБМИМММО о ПОВ «Ж ОМ Во с ой й: ОО а КК В М Ко х ОО о НН я ОО о КВК ОК КВ ВОК ОО и В оон. ВВ - а ПОВ ЕК МЕМ ЕК ВН В Ж КК Ко АХ В В В ; сего ХХ ЖК ЗХ с КУ - ї . он т ОКХ КО НЕ ! яз ї ОХ В ВН Е ОВ ЩО | й ' Фіг. 2 ї