Вітродвигун

1. Вітродвигун, що конструктивно складається з корпуса, допоміжних лопатей, розташованих на його внутрішній поверхні під кутом до осі обертання, і паралельними основними лопатями, який відрізняє ться тим, що корпус, який виконує роль несучого кожуха жорсткості, виготовлений у вигляді порожнинного циліндра, де на одній з ним осі обертання суміщений малий циліндричний повітропровід, що утворює з корпусом зовнішнього циліндра кільцевий повітряний канал, де циліндри жорстко з'єднані між собою радіальними пластинчастими стійками на вході і на виході кільцевого каналу, в якому основні лопаті розташовані хрестоподібно і прикріплені до стінок обох циліндрів, а від підошв основних лопатей через ребра і маточину з'єднані з віссю обертання вітродвигуна в по 30343 Розміщення лопатей в центральній частині барабана в зоні осі обертання - малоефективне по причині малої величини плеча важеля силового впливу між лопатями і віссю. В основу винаходу поставлена задача створити вітродвигун з максимальним використанням робочої площі його лопатей у процесі відбору енергії у повітряного потоку методом раціонального розміщення лопатей вздовж умовних силових ліній вітрового потоку на крайніх точках діаметра кола окресленої площі вітроколеса, за рахунок чого і збільшиться момент обертання і відповідно ККД відбору, створити конструкцію вітродвигуна, в якому з одночасним відбором максимальної потужності на валу, збільшити проточність конструкції вітродвигуна вітровим потоком за одиницю часу за рахунок оптимального розміщення лопатей в просторі застосування зовнішнього корпусу в ролі роздільного кожуха, а відтак і зменшення внутрішнього опору вітровому потоку. Поставлена задача вирішується тим, що вітродвигун, який конструктивно вміщує корпус, допоміжні лопаті, які розмішені на його внутрішній поверхні під кутом до осі обертання паралельно основним лопатям; згідно з винаходом, корпус крім роздільного виконує роль несучого і силового кожуха жорсткості, в порожнині якого на одній осі з ним сумісно розміщений малий циліндр, який разом з зовнішнім циліндром утворює кільцевий канал; обидва циліндри жорстко з'єднані між собою радіальними пластинчастими стійками, розташованими на вході і ви ході кільцевого каналу, де хрестоподібно розміщені і основні лопаті, які з'єднані зі стінками обох корпусів по своїй довжині, а на кінцях корпусів за допомогою ребер і маточини з'єднані з віссю вітроколеса в середині малого циліндра; кожна основна лопать виконана комбінованою; з одного боку площинний прямокутник, розташований довгим краєм вздовж умовних силових ліній вітрового потоку, з іншого захищений профільованою напівсферою типу "черепашка молюска", які з'єднані між собою з утворенням в середині лопаті допоміжного вітрового каналу; проекція робочої прямокутно-площинної частини основної лопаті на вісь обертання має слабовиражений шаблеподібний вигин, який підсилюється на виході з каналу кутом g,що утворюється в свою чергу слабким загином верхньої частини плоскої сторони лопаті назад, проти годинникової стрілки. Функціональний кут a, який утворений проекцією між плоскою стороною основної лопаті і віссю обертання, лежить в межах 25-35 град, окрім того, що подовження стінок корпусів обох циліндрів утворюють манжету, яка поглиблює кільцевий (робочий) канал по периметру. Порівнювальний аналіз з прототипом показав, що запропонований пристрій відрізняється від відомого тим, що вітродвигун має корпус, який виконує одночасно роль силового "кожуха" і "кожуха" жорсткості і виготовлений у вигляді порожнинного циліндра, в якому на одній осі з ним суміщений малий циліндр, що утворює з великим циліндром кільцевий повітряний канал, де розташовані чотири допоміжні і чотири основні лопаті, паралельні між собою. Обидва циліндри жорстко з'єднані між собою радіальними пластинчастими стійками на вході і виході кільцевого каналу. Основні лопаті розташовані хрестоподібно і з'єднані з корпусами циліндрів по всій довжині каналу. Далі кільцевий канал в місцях з'єднання основних лопатей з малим циліндром через ребра і маточину з'єднані з віссю обертання в середині малого циліндра. Основні лопаті розташовані довгою стороною ℓ робочої площини вздовж умовних силових ліній вітрового потоку, а короткою - перпендикулярно осі обертання. Кожна основна лопать комбінована і виконана з одного боку площинною, з іншого - захи щена напівсферичним профілем типу "черепашка молюска", які з'єднані між собою з утворенням "пазухи" допоміжного вітрового каналу; проекція робочої площини основної лопаті на вісь обертання має слабовиражений шаблевидний вигин, який підсилюється на виході з каналу ще й заломом верхньої частини площини на кут g, назад проти годинникової стрілки. Функціональний кут a між проекцією робочої площини основної лопаті і віссю обертання лежить в межах 25-30 град. Ефективним є місце розташування лопатей, їх форма і функціональний зв'язок між кутом a і довжиною лопаті. Такі відмінності дозволяють зробити висновок про відповідність запропонованих те хнічних рішень критерію "новизна", а ознаки відрізняють запропонований варіант від прототипу і не дублюють відомі інші технічні рішення даної галузі те хніки отже забезпечують йому відповідність критерію "винахідницький рівень". Запропонований вітродвигун має суттєві ознаки, які з ознаками відомого вітродвигуна розширюють межі конструктивних можливостей у досягненні вирішення поставлених технічних задач і практичних результатів при їх використанні. Застосування корпусу зовнішнього циліндра дає змогу використовувати його як несучий "кожух" жорсткості і як основну деталь, сприймаючу силове навантаження від основних і допоміжних лопатей, які прикріплені на внутрішній поверхні зовнішнього корпусу. До того ж сам корпус розділяє течії повітряних мас: на зовнішні - прості, від внутрішніх, більш складних за напрямком і більш динамічних від зовнішніх, що в свою чергу, виключає їх зчеплення, а відтак і витрати енергії на їх розрив і утворення на цій основі вихорів з відповідним збільшенням опору в робочому каналі. Раціональне розташування лопатей, за місцем призначення і їх спрямування, в поєднанні з оптимально вибраним кутом між ним і віссю обертання вітродвигуна, дають змогу при максимальній проточності конструкції вітродвигуна, тобто при малих значеннях внутрішнього опору вітровому потоку, віднімати велику частку енергії у вітропотоку в процесі енергообміну. Наявність інтегрального вигину робочої плоскої частини основної лопаті, а також використання малопродуктивного шару повітряного потоку в допоміжному каналі основної лопаті, підвищують значення коефіцієнту відбору енергії у повітряного потоку. Всі вище запропоновані конструктивні ознаки вітродвигуна, є вирішально якісними ознаками, які лежать в основі технічних рішень, для отримання максимальних значень ККД моделі і ставлять її в ряд більш технологічних. Оскільки в поданій конструкції вітродвигуна в кільцевому, робочому каналі 2 30343 лопаті налаштовані на максимальний відбір енергії у вітропотоку, то необхідність використання малоефективної центральної частини повітряного потоку в силовому процесі видається недоцільним. Але ж центральний потік є частиною загального повітряного потоку і використання цієї маси повітря, як допоміжної в деяких випадках в те хногенних вітропотоках, є більш сприятним. Тому застосування малого циліндра, як допоміжного малого повітропроводу, дозволяє утворити два повітряних канали, тим самим розширити можливості вітродвигуна, в разі використання його в каналах з економічним витрачанням об'єму повітря в потоці. З цією метою малий циліндр на вході облаштовують малою, конусоподібною манжеткою, яка незначно звужує діаметр входу в малий канал. При відносно постійному, або стабільному тиску техногенного потоку малий канал не впливає на потужність вітродвигуна, оскільки техногенні канали мають вітропоток, розрахований на всю т.зв. окреслювану площу. А в разі коливань тиску повітряних мас в потоці, надлишки можуть вільно перетікати в малий канал. В разі використання вітродвигуна у повітряному потоці, активізованого зовнішнім індуктором, за допомогою малої манжетки, перерозподіл повітряних мас відбувається автоматично на користь робочого каналу, без застосування складних пристроїв, регулюючих перерозподіл повітряних мас між робочим каналом і допоміжним. В разі вільного перерозподілу мас вітропотоку в каналі вітродвигуна значно зменшується навантаження на джерело генеруючого вітровий потік. Наявність малого повітропроводу, навіть при елементарному з'єднанні його вітропотоку з атмосферою в конечнім ступені - (нижче загального викиду робочого вітропотоку), дозволяє створити на вході вітродвигуна рівнорухомий і рівномірний вітропік підпору, що позитивно впливає на роботу вітродвигуна, особливо в варіанті з зовнішнім індуктором. Застосування лопатей даної конструкції і їх розташування в робочому каналі, на кінцях діаметра кола окреслюваної площі, максимально збільшують потужність вітродвигуна. Таке розміщення лопатей значно збільшує крутний момент, дає змогу більш вільно варіювати з їх робочою площею в просторі відносно руху вітросилового потоку, який в свою чергу, більше часу контактує з силовими площинами лопатей в процесі енергообміну. В ци х процесах велику роль відіграють такі параметри як довжина лопатей "ℓ" і кут a, який утворений вертикальною проекцією робочої площини лопаті і віссю вітродвигуна. Ці величини зв'язані функціональною залежністю, а разом вони створюють робочий кут, який замінює т.зв. кут атаки. При застосуванні в каналі з техногенним стабільним вітропотоком, кут розташування усіх лопатей a має бути фіксований і лежати в межах 2535 град. Для покращення аеродинамічних показників основна лопать зроблена комбінованою, тобто передня робоча її частина зроблена плоскою, з іншого боку споряджена випуклим профілем типу "черепашка молюска", з утворенням між ними порожнинної "пазухи" нового допоміжного каналу, через який використовуються нижчі малоефективні шари повітряного потоку, що протікають біля підошов основних лопатей. Вони проникають в отвори но вих каналів, де підіймаються на порядок вище у своїй силовій спроможності і утворюють відповідний допоміжний повітряний струмінь. На виході вітродвигуна цей потік паралельний усім потокам, які зриваються з кінців лопатей, під тим же кутом до осі обертання, і має пружну природу. На виході, опираючись на попередні маси повітря або спеціальні пристрої в повітряному тунелі, цей струмінь передає відповідні реактивні зусилля на лопаті, позитивно впливаючи на процес енергообміну і на пропускну спроможність вітродвигуна. Вітродвигун вміщує циліндричний корпус - 1, який виконує роль кожуха жорсткості, допоміжних лопатей - 2, які закріплені на внутрішній поверхні зовнішнього циліндру - 3; малий циліндр - повітропровід - 4, який утворює з корпусом великого циліндру кільцевий (робочий) канал - 5; обидва циліндри жорстко скріплені між собою радіальними пластинчастими стійками - 6, розташованими на вході і виході кільцевого каналу; основні лопаті - 7, які розташовані між собою хрестоподібно в кільцевому каналі і фіксовані по всій своїй довжині до стінок обох циліндрів під кутом до осі обертання вітродвигуна - a, а за допомогою ребер - 8 і маточини - 9 кільцевий канал від підошов основних лопатей - 10 з'єднаний з віссю обертання вітродвигуна - 11 в порожнині малого циліндру; кожна основна лопать - 7 зроблена комбінованою, де її робоча половина виглядає як прямокутна площина - 12, а передня за рухом годинникової стрілки облаштована випуклим профілем типу "черепашка молюска" - 13, які утворюють між собою порожнинну "пазуху" - 14 допоміжного вітрового каналу, який веде від входу нижньої частини робочої площини в середині лопаті на вихід каналу; робоча площина лопаті має по довжині шаблевидний вигин - 15, який підсилюється більшим закругленням дуги вигину на виході з каналу, а за допомогою т.зв. "залому" - 16 верхньої задньої площинної частини лопаті назад, проти ходу годинникової стрілки утворюється додатковий підйом поверхні площини лопаті на кут g - 7-10 град, від попереднього положення, тому комплексну поверхню робочої площини лопаті відтворює складна форма її вертикальної проекції "а" на проекцію осі обертання "б" (фіг. 4) з утворенням при цьому робочого кута - a між ними, який лежить в чисельних межах 2535 град., а кут g - 7-10 град., утворений дугою "залому" - "в", підсилює крутизну шаблевидного вигину проекції робочої площі лопаті; кільцеві конусоподібні подовження стінок обох циліндрів у вигляді великої манжетки - 17 і манжетки на малому циліндрі - 18, утворюють поглиблення, яке захищає кільцевий канал в варіанті з пристосованими для цього пристроями, а в даному випадку поглиблення виконує обмежуючі функції при розподілі вітропотоку між каналами. Вітродвигун працює наступним чином: техногенний вітровий потік загальним напором струмує через робочий канал, контактуючи з робочими площинами лопатей, основних - 7 і допоміжних - 2, які розташовані до напрямку умовних силови х ліній вітропотоку під кутом a і передає їм свою механічну енергію під швидкісним тиском своєї маси на площини лопатей, відхиляючи їх навколо осі обертання вітродвигуна. 3 30343 Прямолінійний повітряний потік, рухаючись вздовж робочої площини лопаті - 12, відповідно кривизні дуги шаблевидного вигину, зокрема, і відповідно комплексній формі вертикальної проекції площини лопаті, повільно, але ж динамічно нарощує силовий тиск в часі. На виході вітродвигуна повітряні струмені, зриваючись з лопатей і допоміжних каналів під кутом і, опираючись на попередні повітряні маси, передають реактивний момент опертя на лопаті. Сумарна сила цього опертя всіх струменів на лопаті, визначається як допоміжна. Уявна вісь лопаті по її довжині з даним кутом установки лопатей теоретично співпадає з вектором двох рухів - вітрового потоку і обертального руху лопатей. При дотриманні цих параметрів робочий опір вітродвигуна вітропотоку має бути мінімальним. Частина нижчих малопродуктивних ша рів вітрового потоку по всьому робочому каналі через пазуху впадає в допоміжний канал в середині порожнини комбінованої лопаті і рухається на вихід вітродвигуна, працюючи в загальному струмені всіх потоків, але має допоміжне значення в енергетиці вітродвигуна і обслуговує його пропускну спроможність, зменшуючи при цьому загальний робочий опір вітропотоку. Таким чином у процес перетворення енергії залучаються допоміжні маси повітряного потоку, що сумарно працює на підвищення коефіцієнту використання енергії вітрового потоку. Джерела інформації 1. A.c. CPCP № 1341370 F03D1/04, 1987 р. 2. VA № 555 F03D1/06, 1997 р. Фіг. 1 4 30343 Фіг. 2 Фіг. 3 5 30343 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 6