Вітровий рушій хлопоніна і його застосування

Реферат: Винахід належить до вітрових рушіїв з використанням ефекту Магнуса і може бути застосований, наприклад, як лопать вітроенергетичної установки або вітродвигуна плавного засобу. Вітровий двигун складено з кореневої нерухомої частини та обертової трубчатої або форми зрізаного конуса з основою, спрямованою на кореневу частину маточини. На маточині рівномірно розташовані плескато-опуклі диски, плескатим боком спрямовані до кореневої частини рушія. Маточина через валок сполучена з джерелом обертів. При застосуванні рушія як лопаті вітроенергетичної установки останній через пристрій, який дозволяє відхиляти його на гострий кут від уявного перпендикуляра до ротора установки за напрямком вітру і фіксувати в цьому положенні, закріплено на роторі установки. При застосуванні рушія як вітродвигуна плавного засобу останній через пристрій, який дозволяє маніпулювати положенням рушія для встановлення його відносно вертикалі з нахилом на гострий кут та фіксувати в цьому положенні, жорстко зв'язаний з корпусом плавзасобу. Діаметр маточини визначається за умов її стійкості, проміжок між дисками та їх діаметр - за умов необхідної потужності, величина кута - за умов сили вітру та необхідної потужності. UA 114701 C2 (12) UA 114701 C2 UA 114701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вітровий рушій призначений для створення рушійної сили з використанням ефекту Магнуса і може бути використаний в вітроенергетичних установках, в яких вісь ротора співпадає з напрямком потоку повітря (вітром), також на суднах та інших плавних засобах як двигун. Відома вітроустановка по патенту 2381380 (RU), яка вміщує вітроколесо з горизонтальною віссю обертання і радіально закріплені на осі лопаті, що являють собою ротори Магнуса у вигляді нерухомої прикореневої частини та обертових від призначеного для цієї цілі приводу циліндрів. Обертова частина лопаті завершена зрізаним конусом з шайбою на кінці та споряджена ребрами-шнекам, які забезпечують рух повітря від кінцевої частини лопаті до осі вітроколеса. Недоліком прототипу є значні габарити і лобовий супротив при сильному вітрі (аварійний режим), обумовлені діаметрами циліндрів та конуса, що знижує ефективність використання енергії вітру. При значних швидкостях обертання не виключена можливість перетоку повітря в напрямку до кінцевої частини лопаті від кореневої, що призводить до зменшення рушійної сили лопаті, та створення вагою лопатнів відчутних відцентрових сил, що діють на колесо та ротор вітроенергетичної установки. Це потребує відповідних заходів по забезпеченню міцності цих елементів. Технологічно ускладнює конструкцію наявність ребер-шнеків. Відома конструкція роторів Флетнера, яка використана на плавному засобі (тримарані), що містить в собі обертові циліндри з плескатими дисками, розміщеними на них рівномірно з проміжками [див. 1, стор. 84]. Недоліком такої конструкції роторів є значні габарити та лобовий супротив за рахунок циліндрів, що викликає втрату потужності рушійної сили. Крім того, тамує в собі аварійну небезпеку при штормовому вітрі. Задачею винаходу є підвищення ефективності використання потоку повітря, зменшення маси вітрового рушія, підвищення безпеки застосування, поліпшення її технологічності за рахунок введення в конструкцію нових конструктивних ознак. Обертовий елемент вітрового рушія являє собою суцільну трубчату маточину, яка може бути виконана в формі зрізаного конуса. Та чи інша можуть бути розділені на жорстко пов'язані між собою окремі маточини. На ній (них) рівномірно розміщені і жорстко закріплені диски, які виконані плескато-опуклими, при цьому рівна площина перпендикулярна осі маточини і повернута до кореневої частини рушія, через порожнину якої проходить валок від засобу надання обертів маточині, наприклад від електродвигуна. Радіус кривизни опуклості диска визначається з умов надання останній найкращих аеродинамічних властивостей. Вісі маточини (маточин) при застосуванні рушія відхиленні за допомогою відповідного пристрою, на якому жорстко закріплена коренева частина рушія, на гострий кут φ за напрямком вітру. Розмір проміжку між дисками, їх діаметри розраховуються в залежності від потужності споживача, а величина куту φ, крім того, визначається в залежності від сили вітру. Діаметр маточини розраховується з умов стійкості рушія. Виконання обертового елемента як трубчата маточина дозволяє мати мінімально необхідний діаметр для розміщення дисків, зменшує масу рушія та опір потоку повітря, а виконання її конічною підсилює ефект. Виконання дисків плескато-випуклими за аеродинамічними властивостями їх форми забезпечує значне підвищення ефективності рушія за рахунок зменшення втрат енергії потоку повітря. Нахил рушія за вітром збільшує кут атаки на диск при обертанні маточини, що значно покращує умови взаємодії (збільшується її зона) з потоком повітря, а значить – ефективність застосування рушія навіть при мінімальних (з міркувань стійкості) діаметрах маточини. Нахил маточини за вітром сприяє спрямуванню потоку від кореневої до кінцевої її частини, що є корисним, так як потік повітря послідовно підтискається до плескатих поверхонь дисків, що ще більше збільшує ефективність взаємодії дисків з потоком. Оскільки при застосуванні рушій змонтовано в пристрої, який дозволяє маніпулювати його положенням, є можливість, в залежності від швидкості вітру та необхідної для споживача потужності, змінювати, наприклад, програмно кут нахилу, оберти маточини, вибираючи оптимальні. Якщо встановити рушій перпендикулярно до напрямку вітру і зняти оберти, та враховуючи обтічність форми дисків, тиск повітряного потоку на нього не викличе аварійних обставин. На фіг. 1 схематично зображено вітровий рушій з закріпленою в пристрої для маніпулювання кореневою частиною. На фіг. 2 схематично зображено застосування вітрового рушія у вітроенергетичній установці. Вітровий рушій складений з кореневої частини 1 (див. фіг. 1), через порожнину якої в упорно-підшипниковому вузлі 2 проходить валок 3 передачі обертового руху маточині чи маточинам 4, з'єднаний, наприклад, з електродвигуном 5. На маточині (маточинах) 4 1 UA 114701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 перпендикулярно її осі рівномірно з визначеним проміжком закріплені плескато-опуклі диски 6 так, що їх плескатий бік зорієнтований на кореневу частину лопаті, а опуклий - на кінцеву. Кількість дисків залежить від необхідної потужності вітроустановки. Коренева частина 1 лопаті разом з електродвигуном 5 змонтовані на вузлі 7, який надає можливість маніпулювання лопаттю і фіксувати її з нахилом на кут φ за напрямком вітру. Працює вітровий рушій наступним чином. Вузлом 7 надають лопаті кут нахилу та число обертів електродвигуном 5 маточині 4 відповідно умовам середовища і залежно від потрібної потужності. Набігаючи, потік повітря створює тиск на диски 6. На диску 6, що обертається, за рахунок граничного потоку утворюється рушійна сила (ефект Магнуса, див. 1, стор. 83), яка діє на маточину 4, намагаючись відхилити її в той чи інший бік залежно від напрямку обертання диска (по часовій стрільці чи проти). Перше застосування вітрового рушія у вітроенергетичній установці. На корпусі-обичайці 8 (див. фіг. 2) зі змонтованим в ній вузлом 7 і жорстко зв'язаним з нею ротором 9, встановлюють вітрові рушії 10 в кількості, обумовленій потужністю вітроенергетичної установки. Рушіям 10 вузлом 7 задають, виходячи з попередньо зазначених умов, вибраний кут φ нахилу від уявного перпендикуляра до ротора 9 за вітром, і фіксують його в цьому положенні. Відомим способом орієнтують ротор 9 так, щоб напрямок вітру співпадав з його віссю, та надають рушіям 10, вибрані за числом, оберти за часовою стрілкою чи проти. В процесі обтікання дисків 6 виникає рушійна сила описаним вище чином, яка розкручує корпус-обичайку 8 з ротором 9 вітроенергетичної установки. В разі аварійних обставин (штормовий вітер) ліквідують нахил на кут φ та припиняють обертання вітрового рушія. Друге застосування вітрового рушія на плавному засобі як вітродвигуна. (Графічних пояснень не потребує). Вітровий рушій 10 (див. фіг. 2) або декілька їх кореневою частиною 1 (див. фіг. 1) закріплюють на опорі (карданній, кульовій і т. ін.), яка дозволяє маніпулювання рушієм 10 та фіксацію його з заданим нахилом на кут φ. Опору монтують в корпусі, жорстко пов'язаним з палубою плавного засобу. Це дозволяє залежно від напрямку вітру та курсу плавного засобу встановлювати вітровий рушій в оптимальне з енергетичного погляду положення. Робота рушія не відрізняється від наведеного у відповідному розділі опису. Застосування вітряного рушія на плавному засобі дозволяє мати ефективний двигун та мінімальний опір руху судна. При установці осі рушія в положення, перпендикулярне палубі, в умовах шторму аеродинамічний його опір має мінімальне значення. Бібліографічне посилання. Журнал "Популярная механика", № 3 (101), март 2011 г., М., Россия, (www.popmech.ru). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Вітровий рушій, що містить циліндричний елемент для створення ефекту Магнуса, складений з прикореневої необертової та обертової кінцевої частин, рівномірно розміщені і жорстко закріплені на обертовій частині диски, привід обертової частини, який відрізняється тим, що циліндричний обертовий елемент виконаний як суцільна трубчата маточина або у вигляді зрізаного конуса, які можуть бути розділені на окремі, жорстко пов'язані між собою, маточини, а диски виконані плескато-опуклими, повернуті плескатою стороною лопаті до кореневої частини. 2. Вітровий рушій за п. 1, який відрізняється тим, що його зв'язано з ротором вітроенергетичної установки, вісь якого співпадає з напрямком вітру, через пристрій, який виконано з можливістю відхиляння рушія від уявного перпендикуляра до ротора на заданий гострий кут за напрямком вітру та фіксування його в цьому положенні. 3. Вітровий рушій за п. 1, який відрізняється тим, що його змонтованого в пристрої, жорстко закріпленому на палубі плавного засобу, при цьому згадуваним пристроєм забезпечено можливість маніпулювання рушієм з метою відхилення його від вертикалі за напрямком вітру на заданий гострий кут та фіксування в заданому положенні. 2 UA 114701 C2 3 UA 114701 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4