Ротор савоніуса

Реферат: Ротор Савоніуса містить лоткові лопаті, закріплені на трансмісійному валу за допомогою дворівневої системи траверс, виконаних у вигляді пластин, які закривають торці лопатей, утворюючи пастки для повітря. В центральних зонах випуклих поверхонь кожної лопаті встановлений вертикально орієнтований кіль. При цьому кіль виконаний порожнистим, утвореним двома гіперболічно профільованими пластинами, з'єднаними між собою по всій довжині з витягнутого боку для створення вершинного виступу, і жорстко пов'язаними з площиною лопаті з закругленого боку двома розсуненими торцями для утворення плавних скатів, сполучених з поверхнею лопатей. Кіль оснащений гребінчастою планкою, закріпленою по всій довжині його вершинного виступу. Бокові прорізи, що утворилися в кілі, відкриті. По центральній осі кожної лопаті виконані щілисті дренажні отвори. UA 114236 C2 (12) UA 114236 C2 UA 114236 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики і стосується роторів Савоніуса, вживаних у вітродвигунах підвищеної потужності, зокрема у вузлах енергоживлення установок, які використовуються для створення примусових течій у стоячих водоймах, збору водоростей та інших енергоємних робіт, пов'язаних з екологічним оздоровленням стоячих водойм. Принцип роботи ротора Савоніуса, що визначає всі його конструктивні особливості, полягає в створенні різниці тиску на лопаті, що знаходяться при циклічній зміні їх положення у протифазі. Оскільки це є модифікований парусний принцип, то нарощування потужності досягається тільки шляхом збільшення габаритів лопатей. Але цей захід має слідством зростання як обертаючого моменту, так і гальмуючого. Засоби зміни балансу цих моментів на користь обертаючого полягають в зменшенні аеродинамічного опору тильної частини лопатей, котрі при холостому ходу рухаються назустріч вітровому потоку, подвоюючи швидкість відносно вітру. Топологічні модифікації, які полягали у зміні форми лопатей ротора Савоніуса, у всій безлічі спроб давали виграш, який неминуче занулявся виникаючими стрічними ефектами. Численні прецеденти технічних рішень показали, що збільшення корисної роботи ротора може бути досягнуто тільки при використанні сторонніх додаткових пристосувань типу екранів, концентраторів потоку і т.і., які встановлюються на незалежних опорах і не спираються на кріпильну арматуру лопатей. Здобути позитивного впливу на продуктивність ротора із збереженням основних контурів лопатей можна за рахунок зміни їх поверхневого мікрорельєфу, або ж шляхом використання різного роду профільованих накладок. Не дивлячись на те, що ротор Савоніуса поступається по продуктивності як репелерним пристроям, так і роторам типу Дар'є, його здатність до самозапуску є унікальним параметром, завдяки якому цей ротор продовжують використовувати як енергетичний вузол в багатьох механізмах, а конструкцію не припиняють удосконалювати. Практика розробки роторів Савоніуса має велику історію, а література по цій тематиці містить масу досить вдалих технічних рішень. Так, відомий роторний вітродвигун за пат. України 91763, МПК F03D 3/04; 7/06 (2006.01) / автори: Дзензерський В.О., Тарасов С.В., Костюков І.Ю., Буряк О.А., патентовласник: Інститут транспортних систем і технологій НАН України, заявл. 15.12.2008, опубл. 25.08.2010, Бюл.№16. Вітродвигун містить ротор Савоніуса, укріплений на трансмісійному валу. Ротор має лопаті лоткової форми, пов'язані з валом траверсами. Вся конструкція тримається на зміцненій трубчастій опорі, на якій встановлений концентратор повітряного потоку - активатор ходу, виконаний у вигляді рами, що охоплює лопаті ротора з двох діаметрально протилежних сторін. Кожне плече складається з опорних консолей, на яких змонтовані відповідно концентруючий та екрануючий вузли, виконані у вигляді двох симетричних стулок для проходу лопатей, утворених похилими до площини рами парними скатами. При цьому площини скатів з одного боку утворюють конфузорну конструкцію, що направляє набігаючий потік в проріз стулки, а з протилежної сторони утворюють дифузор, який направляє потік в обхід вузла. Внутрішні скати обох стулок виконані з двох половин. Рама встановлена з можливістю повороту на вітер за допомогою вузла флюгування, що містить перо і жорстку тягову арматуру. До недоліків описаного вітродвигуна слід віднести те, що його потужність, яка залежить від різниці тиску на лопаті, що йде в циклічних фазах обертання за вітром і лопаті, що рухається назустріч вітру, не мінімізована. Відоме також чашкове вітроколесо з вертикальною віссю обертання за пат. Російської Федерації 2072444, МПК F03D3/06. / Балякин К.Н., патентовласник: Балякин К.Н., заявка №94045942/06, заявл. 27.12.1994, опубл. 27.01.1997. В даному технічному рішенні запропоноване чашкове вітроколесо, лопаті якого виготовлені у вигляді прикріплених арматурою до вертикальної осі півкуль. В донних частинах півкуль виконані отвори, в яких поміщаються спарені стулки на осях. Стулки розсовуються під тиском вітру в протилежні сторони, коли лопаті рухаються проти вітру і зсовуються, коли лопаті йдуть за вітром. Різниця сил тиску на лопаті створює обертаючий момент. Діаметр отвору складає 30-50 % від діаметра лопаті. Для підвищення стійкості вітроприйому лопаті мають додаткові отвори з площею 1-2 % від площі лопаті, що служать для усунення повернення частини повітряного потоку, що набігає на півкулі. До недоліків цього аналога слід віднести, те, що наявність рухливих елементів циклічно змінює розподіл маси лопаті в просторі, що може провокувати виникнення коливань і вібрацій при підвищених швидкостях обертання ротора. Крім того, через наявність такого малонадійного вузла, як стулковий пристрій, ротор здобуває залежність від погодних умов і забруднень, які можуть обмежувати рухливість стулок, або навіть зовсім зупиняти їх роботу, наприклад, при низьких температурах, а також при роботі з високим запиленням атмосфери. 1 UA 114236 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найближчим до винаходу технічним рішенням, прийнятим за прототип, є ротор Савоніуса за пат. Російської Федерації 2101557, МПК F03D3/06, F03D3/00, автор: Соловйов О.П., патентовласник: Військово-морська академія ім. Адмірала Флоту Радянського Союзу Н.Г.Кузнецова, заявка №94028552/06, заявл. 28.07.1994, опубл. 10.01.1998. Ротор містить дві порожнисті напівциліндрові лопаті і торцеві диски. Кожна лопать оснащена вхідним подовжнім щілистим конфузором на увігнутій частині і прорізами на подовжніх торцях для виходу повітря. Потік, що набігає на лопать роздвоюється, причому частина його надходить в конфузор, інша впливає на увігнуту обшивку лопаті, створюючи крутильний момент. При руху повітря в порожнинах до вихідних прорізів на поздовжніх торцях швидкість потоку збільшується. Цьому сприяють звуження поперечного перерізу лопатей до торців і відцентрові сили при обертанні ротора. На виході з прорізів створюються реактивні сили і моменти щодо осі ротора. Потік повітря з прорізів торця, найближчого до осі обертання, надходить в конфузор іншої лопаті, що збільшує крутильний момент за рахунок підвищення тиску в тильній частині лопаті, що йде назустріч потоку. До недоліків описаного пристрою слід віднести те, що проведені конструктивні зміни конфігурації лопатей не дають повною мірою бажаного підвищення потужності ротора. Інтегральний крутильний момент суттєво не збільшується, оскільки взаємні тиски струменів, які виходять з прорізів у порожнистих лопатях, на площини сусідніх лопатей, в різних фазах обертання ротора компенсуються. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача підвищення потужності ротора Савоніуса без додаткового збільшення його габаритів шляхом зменшення аеродинамічного опору за допомогою виконання дренажних щілястих отворів в донних зонах лопатей, а також за рахунок встановлення на їх тильних площинах накладних кілів. Поставлена задача вирішується тим, що лопаті закріплені на валу за допомогою системи траверс, виконаних у вигляді пластин, які закривають торці лопатей, утворюючи пастки для повітря, в центральних зонах випуклих поверхонь кожної лопаті встановлений вертикально орієнтований кіль, причому кіль виконаний порожнистим, утвореним двома гіперболічно профільованими пластинами, з'єднаними між собою по всій довжині з витягнутого боку для створення вершинного виступу, і жорстко пов'язаними з площиною лопаті з закругленого боку двома розсуненими торцями для утворення плавних скатів, сполучених з поверхнею лопатей, кіль оснащений гребінчастою планкою, закріпленою по всій довжині його вершинного виступу, бокові прорізи, що утворилися в кілі, відкриті, а по центральній осі кожної лопаті виконані щілисті дренажні отвори, ширина яких не перевищує 1 % від ширини лопаті, а довжина складає 70-90 % довжини лопаті. Проведемо аналіз відмінних ознак на предмет оцінки їх ефективності і можливості реалізації. Відмінна ознака лопаті закріплення на валу за допомогою системи траверс, виконаних у вигляді пластин, які закривають торці лопатей" вказує, що ротор, який патентується, виконаний з підвищеним захватом повітря. Перекриття торців гасить негативні кінцеві ефекти. Крім того, виконання траверс у вигляді пластин дає можливість зменшити їх товщину, що позитивно впливає на рівень аеродинамічного опору руху. В прототипі для кріплення до вала і з'єднання лопатей між собою застосовуються диски, які закривають систему каналів, що утворилися, і не дають можливості відвести ті струмені, які в деяких фазах руху лопатей створюють моменти сил, спрямовані проти обертання ротора. Відмінна ознака в центральних зонах випуклих площин кожної лопаті - встановлено вертикально орієнтований кіль, який виконаний порожнистим, утвореним двома гіперболічно профільованими пластинами, з'єднаними між собою по всій довжині з витягнутого боку для створення вершинного виступу, і жорстко пов'язаними з площиною лопаті з закругленого боку двома розсуненими торцями для утворення плавних скатів" вказує відносно простий спосіб збільшення потужності ротора. Наявність кіля дає можливість істотно зменшити опір для тих лопатей, які рухаються проти набігаючого потоку. Циклічно змінюючи своє положення відносно вітрового фронту кіль змінює тим самим взаємодію з потоком. При робочому ходу лопаті він знаходиться в тіні самої лопаті і не бере участі в причинах, які зумовлюють динаміку. При холостому ходу лопаті він набуває максимальної активності, розтинаючи потік на два струмені, які обходять тильну частину лопаті не по контуру лопаті, як у прототипі, а по похилих скатах кіля, що робить процес обтікання маловитратним. Виготовлення кіля з тонких пластин, а також із матеріалу з малою щільністю (наприклад, з полімерних матеріалів) дає можливість зберегти вагу лопаті в прийнятному діапазоні, що ненабагато збільшує її інерційність. 2 UA 114236 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Кіль виконаний порожнистим з ціллю використання його для створення каналів відведення надлишкової маси повітря, захопленого лопаттю. В порівнянні з прототипом, ці канали не вимагають застосовування заслінок для управління витратою повітряної маси, оскільки канал включається в роботу тільки при зворотному ходу лопаті, тому витрата регулюється автоматично, синхронно зі зміною тиску зовнішнього потоку. Це регулювання має непрямий характер, що дозволяє розділити цей акт на фази. Відмінна ознака - кіль оснащений гребінчастою планкою, закріпленою по всій довжині його вершинного виступу, вказує на ще один параметр, який теж сприяє збільшенню потужності ротора. Наявність гребінчастої планки служить ефективним засобом зменшення аеродинамічного опору, лопатям, що йдуть проти вітру. Мілкозубцова планка турбулізує потік при його роздвоєнні. При тому виробляється поле з вихорів малого діаметра, яке прилягає до площин кіля і тильної сторони лопаті. В результаті ці площини покриває динамічне вихрове покривало, перебіг обтікаючих повітряних струменів по якій йде практично без тертя. Таким чином, обтікання лопаті в цій фазі руху відбувається із зниженим опором, що позитивно змінює баланс тиску на полярні плечі ротора. В прототипі витримується плавність перебігу захоплених струменів по площинах лопатей і каналів між ними, але ковзання їх відбувається з нормальним аеродинамічним опором. А введення у склад ротора рухомих заслінок наділяє його всіма недоліками, пов'язаними з дрейфом центру мас, з метеорологічним станом атмосфери і запорошеністю повітря. Відмінна ознака "бокові прорізи що утворилися в кілі, відкриті, а по центральній осі кожної лопаті виконані щілисті дренажні отвори, ширина яких не перевищує 1 % від ширини лопаті, а довжина складає 70-90 % довжини лопаті" вказує одну з основних конструктивних змін, що дають перевагу відносно до прототипу. Дренажні отвори виконують функцію відведення частини захопленого обгородженою з торців лопаттю повітря. Оскільки при надмірному надходженні повітряної маси в увігнуті вітрові пастки виникають процеси бічного обтікання лопатей саме в ті миті, коли лопаті при русі знаходяться в зоні повної відкритості пасток до набігаючого потоку повітря. При цьому виникає значна небезпека порушення стаціонарності передачі кінетичної енергії вітру лопатям. Відтік частини повітря через донний дренаж гарантує збереження стійкості стаціонарного режиму перебігу потоку. Після проходу щілини струмені потрапляють в кільову порожнину, де віддають залишкову енергію. Оскільки ця порожнина відкрита з торців, а набігаючий швидкісний потік створює в районі виходу області зниженого тиску, то повітря вільно видаляється з порожнини та розсіюється поза межами ротора. В прототипі все повітря, що потрапило на вітроприймальну частину лопатей йде потім в зазори між лопатями. Але, якщо у фазах максимальних надходжень вони продовжують віддавати кінетичну енергію, збільшуючи крутильний момент ротора, то у всіх інших фазах руху вони або зрівнюють сили тиску на лопаті, або віднімають енергію у ротора. Таким чином, інтегральний крутильний момент не збільшується у порівнянні з ротором, що патентується. В прототипі наголошено, що повітря, забране конфузором, при просуванні до виходу по лопатевій порожнині швидшає згідно з законом Бернулі. Проте, оскільки контур перебігу повітря в лопаті відкритий як з боку входу повітря, так і з боку його виходу, і знаходиться у вільному потоці, то закон Бернулі не спрацьовує. Ця конструктивна особливість призводить до того, що при збільшенні тиску і зростанні щільового опору повітря в каналі, що звужується до виходу, створюється хвиля відтоку тиску, яка блокує надходження нових мас повітря у вхід конфузора. Струмені, що не мають переваги в тиску, починають обтікати конфузор, переповнюючи ємкість лопаті. Закон Бернулі виконувався б тільки в тому випадку, якщо б з боку входу повітря нагнітав компресор, утворюючи закритий з одного кінця контур, що не давало б можливості хвилі відтоку створити повітряну пробку у вхідному створі або збудити протитечію. Якщо з прорізу на поздовжньому торці, направленому в поглиблення сусідньої лопаті повітря виходить в зону зниженого тиску, то на торці, відкритому у бік робочого потоку, тиск підвищений. Повітря з цього отвору взагалі не може вийти. З цього випливає, що тиск в тильній частині лопаті, що рухається в даній фазі обертання ротора назустріч вітру, не збільшується, і опір її руху зменшується неістотно. В порівнянні з прототипом ротор, що патентується, завдяки роботі дренажної системи не порушує стаціонарного режиму потоку. Це сприяє підвищенню тиску на вітроприймальних площинах, що однозначно збільшує крутильний момент. Розміри дренажної щілини вибрані з міркувань оптимізації об'єму потоку, що видаляється. При збільшенні отвору щілини лопать втрачає тиск, а при зменшенні потрапляє в режим обтікання, який генерує значні турбулентні сліди (доріжки Кармана) які негативно впливають на стан струменевого поля навкруги ротора. 3 UA 114236 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Проведений порівняльний аналіз показує, що система, яка патентується, має суттєві відмінні ознаки в порівнянні з прототипом, а сукупність ознак сприяє рішенню поставленої у винаході задачі. За відомостями, що є у авторів, запропонована сукупність відмінних ознак, яка характеризує суть винаходу, не відома в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні вітроустановок підвищеної потужності, зокрема у вузлах енергоживлення установок, які використовуються для створення примусових течій у стоячих водоймах, збору водоростей та інших енергоємних робіт, пов'язаних з екологічним оздоровленням водойм. Конструкція ротора, що патентується, пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 приведена схема ротора, вигляд зверху, на фіг. 2 - фронтальний вигляд ротора, а на фіг. 3 - схема лопаті, вигляд збоку. Ротор Савоніуса містить (фіг. 1 та фіг. 2) лоткові лопаті 1 переважно напівциліндрового (лоткового) профілю, закріплені на валу 2 за допомогою дворівневої системи траверс 3, встановлених у крайньому верхньому і крайньому нижньому положеннях по висоті ротора. Траверси виконані у виді пластин, які закривають торці лопатей, обгороджуючи таким чином лотки і утворюючи пастки для вітру. В центральних зонах зворотних поверхонь кожної лопаті встановлений вертикально орієнтований кіль, утворений двома поєднаними гіперболічно профільованими пластинами 4 та 5. Пластини з'єднані між собою по всій довжині з витягнутого боку для створення вершинного виступу. З закругленого боку вони жорстко зв'язані з площиною лопаті двома розсуненими торцями для утворення плавних скатів, сполучених з поверхнею лопатей. Бокові прорізи, що утворилися в кілі завдяки внутрішній порожнині 6, відкриті в атмосферу. По центральній осі кожної лопаті виконані щілисті дренажні отвори 7, ширина яких не перевищує 1 % від ширини лопаті, а довжина складає 70-90 % довжини лопаті. Кіль оснащений гребінчастою планкою 8 (фіг.3), закріпленою по всій довжині його вершинного виступу. Установка, що патентується, працює наступним чином. Ротор має робочі поверхні лопатей 1 класичної лоткової форми. Змінені тільки зворотні поверхні. Тому акти вітроприйому в основних положеннях мало відрізняються від прийнятою теорією динаміки. Відмінності полягають в характері перерозподілу частини захопленого лотками потоку. Кожна лопать 1 при обертанні працює двофазно. При русі проти вітрового потоку (холостий хід) вона рухається в режимі обтічника і випукле сферичне дно має форму, яка мінімізує аеродинамічний опір лопаті. При русі уздовж потоку кожна лопать захоплює вітровий потік і має при цьому максимальний опір. Дренажні отвори 8 відводять частину захопленого обгородженою з торців лопаттю повітря. Надлишкове повітря після проходу щілини потрапляє в кільову порожнину 7 і виходить з неї з обох сторін кіля через торцеві прорізи. Ці заходи не дають збуджуватися процесам обтікання лопатей. Відтік частини повітря через отвори 8 гарантує збереження стійкості стаціонарного режиму перебігу потоку. Це оптимізує передачу вітрового потенціалу на лопаті. Гребінчастий кіль, завдяки обертанню ротора циклічно змінює свою орієнтацію щодо вітрового фронту. При робочому ходу він знаходиться в тіні лопаті і не бере участі в причинах, які обумовлюють динаміку. При холостому ході він набуває максимальної активності, розтинаючи потік на два струмені, які обтікають схили пластин 4 та 5, а також лопаті по тильних площинах. Гребінчаста планка 6 при розтині потоку турбулізує струмені, які прилягають до суміщених площин кіля і лопаті. Турбулентне покривало має мікровихорову структуру, внаслідок того, що зубці планки 6 мають малий розмір. Покривало, прилегле до похилих площин 4 та 5 кіля, які затуляють значну частину тильної поверхні лопаті, суттєво знижує рівень аеродинамічного опору лопатей. Таким чином, потужність ротора, що патентується, зростає завдяки зниженню аеродинамічного опору лопатей при холостому ходу, та завдяки підвищенню стійкості стаціонарного режиму при робочому ходу. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Ротор Савоніуса, що містить лоткові лопаті, закріплені на трансмісійному валу, який відрізняється тим, що лопаті закріплені на валу за допомогою дворівневої системи траверс, виконаних у вигляді пластин, які закривають торці лопатей, утворюючи пастки для повітря, в центральних зонах випуклих поверхонь кожної лопаті встановлений вертикально орієнтований кіль, причому кіль виконаний порожнистим, утвореним двома гіперболічно профільованими пластинами, з'єднаними між собою по всій довжині з витягнутого боку для створення вершинного виступу, і жорстко пов'язаними з площиною лопаті з закругленого боку двома розсуненими торцями для утворення плавних скатів, сполучених з поверхнею лопатей, кіль 4 UA 114236 C2 оснащений гребінчастою планкою, закріпленою по всій довжині його вершинного виступу, бокові прорізи, що утворилися в кілі, відкриті, а по центральній осі кожної лопаті виконані щілисті дренажні отвори, ширина яких не перевищує 1 % від ширини лопаті, а довжина складає 70-90 % довжини лопаті. 5 UA 114236 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6