Роторний вітродвигун

Роторний вітродвигун, що містить ротор Савоніуса, опору, встановлений на ній з можливістю обертання направляючий апарат з флюгерним C2 2 (19) 1 3 пасивну частину вітроколеса, відхилюючи потік на активну частину. До недоліків вітродвигуна слід віднести зайву закритість його вітропрймальної системи, а також збільшений аеродинамічний опір в каналі, що має причину в його надмірній довжині і зменшеному поперечною стінкою перетині. Відомий також «Ротор вітродвигуна» за пат. РФ №2104410, МПК F03D 9/00. 3/02, С.М. Татаренко, пріоритет від 10.01.96, опубл. 10.02.98, бюл. №4, в якому пасивна половина вітроколеса закрита обтічником, а для уловлювання потоку в обтічнику виконаний отвір впускання, через який потік прямує на активну половину вітроколеса. Відпрацьоване повітря виходить через випускний отвір. Обидва отвори виконано у формі розтрубів. Обтічник за допомогою повітряного керма для пошуку вітрового натиску виставляється в позицію максимального захвата потоку. До недоліків ротора можна віднести надмірну закритість системи, унаслідок чого підвищується опір вхідному потоку і ростуть втрати енергії при проводці потоку по розтрубах. У відомому карусельному вертикальноосьовому «Вітродвигуні» за а.с. №1204777, МПК6 F 03 D 3/04, Малеєв Ф.Ф. і ін. пріоритет від 06.07.84, опубл. 15.01.86, бюл. №2, громіздкий кожух замінено легким направляючим апаратом, захоплюючим додаткові струмені з периферії вітроколеса і перекидаючим їх на лопасті. Апарат укріплений з можливістю повороту навколо осі. Він складається з двох половин, кожна з яких виконана у вигляді криволінійних площин. Для управління орієнтацією він забезпечений поворотним кермом. Підвищення ефективності роботи відбувається унаслідок подачі додаткових струменів на лопасті вітроколеса. До недоліків цього пристрою слід віднести малий, для такого принципу концентрації, перетин вхідних отворів. Завишений аеродинамічний опір зменшує ефективність вітроустановки. Найближчим до технічного рішення, що заявляється, узятим як прототип, є «Роторний вітродвигун» за а.с. №1467248, МПК6 F03D 3/02, Л.А. Шадурко, пріоритет від 08.07.87, опубл. 23.03.89, бюл. №11, забезпечений направляючим апаратом, який містить екрануючу обичайку, частково охоплюючу ротор Савоніуса. Із сторони протилежній обичайці розташований поворотний дуговий щит для подачі потоку на ротор. Обичайка має окружну протяжність, що становить 1/4 кола ротора. Затінюючи частину ротора, обичайка знижує опір переміщенню лопастей назустріч вітру. До недоліків прототипу слід віднести малу ефективність пристрою при слабких вітрах, оскільки для збору і попереднього перетворення робочого потоку використовуються тільки рівноважні процеси. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача збільшення ефективності і економічності енергетичної установки шляхом створення вітродвигуна з підвищеною чутливістю до слабких вітрових потоків. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому роторному вітродвигуні, що містить ротор Савоніуса, опору, встановлений на ній 91763 4 з можливістю обертання направляючий апарат, що складається з екрануючого і концентруючого вузлів, лопасті ротора не перекриваються, а рознесені та сполучені з валом траверсами, направляючий апарат виконаний у вигляді двоплечної рами, що охоплює ротор з двох діаметрально протилежних сторін, при цьому кожне плече складається з опорних консолей, на яких змонтовані відповідно екрануючий і концентруючий вузли, виконані у вигляді двох симетричних створів для проходу через них лопастей, утворених похилими до площини рами площинами парних скатів, встановлених по різні боки від лопастей, і мають ширину, не перевищуючу глибини лопастей, причому площини скатів концентруючого вузла утворюють конфузорну конструкцію, що відбиває набігаючий потік в отвір створу, а площини скатів екрануючого вузла утворюють дифузор, що направляє потік в обхід отвору, внутрішні скати обох створів виконані з двох половин, в зазор між якими при обертанні ротора проходять траверси. Проаналізуємо відмінні ознаки на предмет їх ефективності і можливості реалізації. В пристрої лопасті ротора, що патентується, не перекриваються, а рознесені та сполучені з валом за допомогою траверс. Цей прийом використаний унаслідок того, що ротори Савоніуса з лопастями (по схемі прототипу), що взаємно перекриваються, мають знижену вітроприймальну здатність. При такому способі екранування пасивна лопасть затінює частину площі активної лопасті, на яку падає прямий вітровий фронт. Відбитий же потік, що скачується з опуклої поверхні пасивної лопасті, втрачає частину енергії при повороті і при змішуванні з прямим. Крім того, він поступає на лопасть під кутом, та робить турбулентним основний потік. Таким чином, рознесення лопастей на відстань, при якій вони не заважають вільному обдуву, збільшує ефективність енерговідбору. Крім того, з'являється можливість роздільного регулювання режиму роботи кожної лопасті за допомогою симетричних допоміжних вузлів. У вітродвигуні, що патентується, направляючий апарат виконаний у вигляді двоплечної рами, що охоплює ротор з двох діаметрально протилежних сторін. На кожному плечі змонтовані відповідно екрануючий і концентруючий вузли, утворені похилими площинами які мають ширину не перевищуючу глибини лопастей. Конструкція, що патентується, спроектована на базі небезпідставного припущення про те, що чим більше закрита (у аеродинамічному відношенні) система проводки потоку, тим менше ефективність попередніх перебудов потоку. Звичайний конфузорно-дифузорний концентратор потоку, що має знижений зв'язок із зовнішнім середовищем, блокує процеси природного розсмоктування структурних «дефектів». Він концентрує більше турбулентні струмені, ніж енергію натиску. Обрамлення вітроколеса дає позитивний результат, але тільки в тому випадку, якщо використовувати фазу перебудови структури потоку - перехідний режим. Процеси релаксацій повинні відбуватися при повному контакті з повітряним середовищем. Це створює можливість притоку енергії для відновлення струк 5 тури потоку. Ротор - прототип має більш значний ступінь відкритості, ніж пристрої з повним конфузорно-дифузорним обрамленням, але він не форсує режим енерговідбору, а тільки змішує струмені. Пристрій, який патентується, створює локалізовану малопротяжну область (скати мають ширину, що не перевищує глибини лопастей) концентрації з швидким (в розмірності швидкості перехідного стану) імпульсним типом процесу. Такий режим можна назвати активуючим по всіх параметрах ситуації. Розроблений направляючий апаратактиватор у момент проходу лопастю створу провокує ефект перекриття потоку. Якщо потік в отворі активатора різко зупинити, то він дасть викид тиску (згідно формулі Жуковського). Скачок тиску, що сформувався, передає лопасті додатковий імпульс у напрямі ходу. Причому цей ефект буде достатньо істотним і при слабких натисках вітру. Площини скатів концентруючого вузла в пристрої, що патентується, утворюють конфузорну конструкцію, що відбиває набігаючий потік в проєм створу, а площини скатів екрануючого вузла утворюють дифузор, що направляє потік в обхід проєму. Це пояснюється тим, що створи «спрацьовують», тобто створюють режим передачі додаткового імпульсу лопастям ротора тільки у момент проходу лопастей. В концентруючому вузлі виникають умови різкої зупинки течії, а в екрануючому умови м'якого обтікання. Тут слід розділити сили. На раму діють сили, які можуть змістити її з положення максимального вітроприйому. Причому збільшену внаслідок цього парусность екрануючого вузла компенсує імпульс віддачі, що виникає в концентруючому вузлі. Симетричність розміщення обох вузлів Відносно опори синхронізує силові процеси на протилежних плечах, що зменшує небезпеку порушення орієнтації рами. На ротор же діє пара сил, баланс між якими в пристрої, що патентується, змінюється на користь активної лопасті, оскільки їй віддає реактивний імпульс активатор режиму, але в той же самий час знижується опір ходу пасивної лопасті. Внутрішні скати обох створів виконані з двох половин, в зазор між якими при обертанні ротора проходять траверси. Ця конструктивна особливість пристрою, що патентується, дає можливість отримати створи за допомогою площин, розміщених по різні сторони від лопастей. В прототипі концентратори потоку несиметричні Відносно лопастей, односторонні, що знижує їх ефективність. І якщо екран в ньому закриває великий сектор круга обертання, то це не знімає наявність і дію зон зриву потоку на пасивній лопасті, оскільки її швидке обертання порушує ті ж процеси, що і від взаємодії з вітром. Таким чином, ефективність роботи пристрою, що патентується, збільшується завдяки наявності активатора ходу, який створює в зонах максимальної взаємодії лопастей ротора з потоком форсований режим, який виникає навіть при слабких вітрах. За відомостями, які є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, 91763 6 не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні ВЕУ для регіонів із слабкими вітрами. Схема роторного вітродвигуна, що патентується, приведена на Фіг.1 (фронтальний вид), на Фіг.2 (вид зверху) та на Фіг.3 (вид збоку). На Фіг.4 зображений перетин фронтального виду по АА. Ротор ВЕУ карусельного типу з вертикальним валом (Фіг.1-4) (ротор Савоніуса) містить вітроколесо, укріплене на трубчастому трансмісійному валу 1. Вітроколесо містить лопасті 2 лоткової форми, пов'язані з валом траверсами 3. Конструкція тримається на подвійній опорі, що складається з порожнистого ствола 4 і швелера 5, встановленого всередині ствола по його центральній осі. Вал 1 розміщений концентрично усередині ствола 4, і зафіксований двома підшипниковими вузлами 6 та 7. Кожний вузол складається з двох підшипників - внутрішнього 8 (катання) і зовнішнього 9 (ковзання). Вузол 6 жорстко пов'язаний із стволом 4 в нижній точці вітроколеса, а вузол 7 укріплений нерухомо на швелері 5 у верхній точці вітроколеса. Трансмісійний вал спирається на підшипники катання. На підшипниках ковзання вузлів 6 і 7 встановлена двоплечна рама направляючого апарату-активатора ходу, що складається з опорних консолей 10, на яких змонтовано два симетричні прямокутні створи 11 і 12. Створи обрамлені похилими площинами скатів 13, причому ствір 11 відбиває набігаючий потік в проєм між скатами, а ствір 12 направляє його в обхід. Відносно вітроколеса рама встановлена таким чином, що лопасті 2 при обертанні ротора вільно проходять створи. Внутрішні скати обох створів виконані з двох половин, в зазор між якими проходять траверси З вітроколеса. Для зміцнення їх фіксації від вузлів 6 і 7 відходжують патрубки 14 і 15, до кінців яких прикріплені половинки скатів при допомозі траверс 16. Рама встановлена з можливістю повороту на вітер при дії вузла флюгера, що містить кіль 17 і систему жорстких тяг 18, що спираються на консолі 10 рами. Описаний пристрій працює наступним чином. Вузол флюгера виставляє раму на вітер і утримує її в положенні найбільшого захвата потоку, внаслідок чого під дією швидкісного натиску ротор Савоніуса починає обертатися. При цьому режим взаємодії лопастей з потоком циклічно міняється. Коли лопасті проходять сектори між створами (ця фаза показана на Фіг.2 і 4 пунктирними лініями), потік в прямокутнім проємі концентраторного вузла швидшає, оскільки в нього поступають струмені, відбиті скатами створу. В той же час в проємі екрануючого вузла периферичні струмені відводяться від прямого потоку. В період, коли активна на даний момент лопасть у фазі максимального вітроприймання проходить проєм концентраторного вузла, вона різко перекриває цю форсовану течію, що створює режим гальмування і пов'язаний з цим викид тиску, діючий у напрямі обертання. Лопасть входить у вже сформований концентратором потік, швидкість якого більше швидкості вітру. Вона перекриває проєм нерухо 7 мого концентратора і змінює режим течії, викликаючи зворотний поршневий ефект. Одержаний додатковий імпульс сумується із запасом кінетичної енергії ротора. Ротор при обертанні отримує ряд імпульсів, гострота яких згладжується масовою інерцією вузла і дає можливість пройти складнорежимну зону виходу з сектора активації. Коли лопасть проходить проєм створу і починає відкривати її, то складається миттєва конфігурация щілястого дифузора, який сприяє бічному відхиленню та розсіюванню струменів, витискуючих лопасть із проєму створу. В екрануючому вузлі перекриття отвору пасивною лопастю посилює обвідні струмені, оскільки профіль, що утворився, має властивості обтічника. Ефект роботи правого плеча направляючого пристрою, одержуючого у момент проходу лопасті збільшену скатами площину, полягає у відведенні зони периметрального зриву потоку за межі обводу лопастей. Перенесення їх на кромки обрамлення зменшує гальмування лопасті в секторі максимального аеродинамічного опору. Тривалість цих режимів мала, оскільки лопасті швидко просуваються далі, відкриваючи створи, але їх дія збільшує енергію руху вітроколеса. У відкритих (до приходу наступної лопасті) створах відновлюється первинний режим протікання потоку. Циклічно повторюючись, ці реакції підтримують хід ротора при слабких вітрах. Не дивлячись на те, що дистанція дії активуючої сили відносно мала, така композиція перевершує закриті системи концентрації потоків тим, що утилізується тільки фаза зміни режиму (перехідний аеродинамічний режим), яка мало підпадає під вплив негативних процесів, пов'язаних з проводкою струменя по довгому замкнутому каналу. Ае 91763 8 родинамічний опір безканального конфузора істотно менше. Таким чином, при використанні форсованих перехідних режимів, що супроводжуються скачками тиску, а не просто ефектів від складання струменів, створюється можливість активувати слабкі вітрові потоки. Достоїнством описаного пристрою є те, що відкритість такої системи дає можливість розсіювати вихрові компоненти відпрацьованих струменів силами основного потоку. Таким шляхом швидшають процеси релаксацій, що вирівнюють режим течії. Для посилення ВЕУ, побудованої на описаному принципі можна скористатися модульними схемами з багатоярусним розміщенням декількох вітроколес на загальному валу із активаторами ходу. Ветроколесо виконується з лоткових (типу Дар'є) або чашкових лопастей. Причому багатоярусних, з кутовим зсувом кожного ярусу. Для трилопастевого ротора, що складається з трьох ярусів, зсув кожного нижнього ярусу відносно першого верхнього складає 40°. В загальному випадку зсув роз360  / N раховується по формулі, де N - число n лопастей в ярусі; n - кількість ярусів. Чим більше ярусів, тим більш плавну дію надає система концентраторів, оскільки поступаючі імпульси підсумовуються на загальному валу. Добиватися ж плавності ходу трансмісійного валу шляхом збільшення числа лопатей недоцільно, оскільки дуже близько розташовані лопасті ротора, що швидко обертається, не дають пройти до кінця перехідним процесам в направляючому апараті-активаторі, і ефект віддачі знижується. 9 91763 10 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 91763 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601