початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2101560

ШНЕКОВИЙ ветроротор

Ім'я винахідника: Смульский І.І .; Мельников В.П .; Кавун І.М.
Ім'я патентовласника: Інститут кріосфери Землі СО РАН
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1996.04.09

Використання: у вітроенергетиці, а саме в ветроротор, що перетворюють енергію вітру в обертання ротора. Суть винаходу: шнековий ветроротор містить вал і закріплені на ньому гвинтові лопаті. З метою збільшення енергетичної ефективності гвинтові лопаті виконані воронкоподібними. Утворює лійку гвинтової поверхні описується монотонною функцією радіуса, окремим випадком якої є коса пряма. В цьому випадку воронокообразная поверхню є косим гелікоїд. При певних геометричних параметрах косою гелікоїд розгортається в площину. Тоді воронкообразная гвинтова лопать може бути виконана з плоскою кільцевої заготовки. Ветроротор з воронкоподібними гвинтовими лопатями в похилому положенні має більшу ефективність у порівнянні зі шнековим ветроротор з прямими гвинтовими лопатями. Крім того, він може працювати в вертикальному положенні і не залежати від напрямку вітру. У порівнянні з іншими вертикальними ветроротор він має більш високу енергетичну ефективність: вищий, ніж у ветроротор Савоніуса коефіцієнт використання енергії вітру і велику, ніж у Дарині-подібних ветроротор вироблення енергії при малих швидкостях, а й менш напружену конструкцію і створює менші акустичні, електромагнітні і екологічні впливи.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до вітроенергетики, а саме до ветроротор, що перетворює енергію вітру в обертання ротора.

Відомий ветроротор Савоніуса [1] містить вертикальний вал і встановлені вздовж нього лопаті, які в нормальному з осі ротора перетині мають s-подібну форму. Момент, що обертає виникає за рахунок різного опору опуклою і увігнутою частин ротора. Ветроротор Савоніуса відноситься до класу тихохідних з швидкохідністю z 1 [2] Коефіцієнт використання енергії вітру такого ротора низький: 0,1-0,15.

Відомі ветроротор Дарині [2] і Дарії-подібні ротори конструкції "Гідропроекту" [3] які містять вертикальний вал, з'єднані з валом і віддалені від нього поздовжні вузькі лопаті, площина яких становить гострий кут з площиною, дотичною до поверхні ротора. Уздовж своєї довжини лопаті можуть бути прямолінійними (ветроротор "Гідропроекту" або дугоподібними (ветроротор "Дар'ї").

Ці ротори відносяться до класу швидкісних з швидкохідністю z 6, а коефіцієнт використання енергії вітру досягає 0,3-0,35 [2] Недоліком цих роторів є високі відцентрові навантаження в зв'язку з великою швидкістю обертання. У цих конструкціях виникають великі згинальні моменти в лопатях і вузлах приєднання лопатей до валу. Крім того, відбувається зміна умов обтікання лопаті потоком протягом одного обороту, циклічно повторюється мільйони раз. Це викликає втомні явища і призводить до руйнування елементів ротора і серйозних аварій. Циклічність взаємодії лопатей з повітряним потоком призводить до генерації акустичних коливань, тобто до аеродинамічному шуму, який перешкоджає використанню ветроротор в населених зонах. Циклічність роботи створює циклічність зміни електромагнітних характеристик простору (електричної і магнітної проникності), що призводить до модуляції електромагнітних хвиль і порушення радіо- і телесигналів. Всі ці недоліки, виключаючи ті, які викликані швидкохідністю, притаманні і ротора Савоніуса. Додатково Дарині-подібні ротори за рахунок великої швидкості лопатей і слабкою затемненности контуру обертання знищують птахів, що потрапляють в зону обертання ротора.

Відомий ветроротор шнекового типу [4] прийнятий за прототип, який містить вал і з'єднані з ним прямі гвинтові лопаті, які в нормальному до осі ротора розрізі мають спрямовані по радіусу перетину. Математична форма таких гвинтових поверхонь є прямим гелікоїд і описується параметричної системою рівнянь [5]

Недоліком шнекового ротора з прямими гвинтовими лопатями є те, що він працює в похилому положенні, тому вимагає спеціальної підтримуючої конструкції, і ефективність його залежить від напрямку вітру, внаслідок чого зменшується ефективність використання вітрової енергії. Крім того, прямий гелікоїд є поверхнею подвійної кривизни і не розгортається в площину [6] Тому його необхідно виготовляти з великої кількості плоских секторів або піддавати штампуванні, що призводить до збільшення вартості ветроротор.

Технічною задачею, що вирішується винаходом, є підвищення ефективності використання енергії вітру, спрощення конструкції та технології виготовлення шнекового ротора.

Для вирішення технічної задачі в шнековом роторі, що містить вал і закріплені на ньому гвинтові лопаті, останні виконані воронкоподібними з декартовими координатами точок поверхні



де вісь z спрямована уздовж осі ветроротор;

r радіус відстань від точки до осі ветроротор;

v полярний кут в поперечному перерізі ветроротор;

S крок гвинта;

f (r) - монотонно зростаюча функція радіуса.

Воронкоподібні гвинтові лопаті можуть бути виконані у вигляді косого гелікоїда, який описується формулами

f (r) = (rr ₁₎ ctg ( ); = Arcsin ((r ₂ -r ₁₎ / h),

де r ₁ і r ₂ внутрішній і зовнішній радіуси шнекового ветроротор;

кут між віссю і утворює косого гелікоїда;

h висота гвинтових лопаті.

Висота лопаті косого гелікоїда розраховується за формулою



В цьому випадку воронкообразная гвинтова лопать може бути виконана з плоского кільця з внутрішнім радіусом



Крім того, шнековий ветроротор може бути встановлений вертикально. В цьому випадку його робота не залежить від напрямку вітру.

На фіг.1 схематично представлений фронтальний вид шнекового ветроротор з воронкоподібними гвинтовими лопатями; на фіг.2 в двох проекціях (фронтальний вид і вид зверху) представлені зображення гелікоїд: а) прямого; б) воронкоподібного; в) косого. Довжина гелікоїд дорівнює кроку гвинта s.

Шнековий ветроротор встановлений вертикально і містить вал 1 і закріплені на ньому воронкоподібні гвинтові лопаті 2 (на фіг.1 показаний трехзаходний шнек). Вал 1 ветроротор пов'язаний з щоглою 3 через підшипникові опори: верхню 4 і нижню 5, в яких ветроротор має можливість обертатися. Щогла 3 встановлена ​​в шарнірі 6 і закріплена розтяжками 7. Обертання від валу 1 через передачу 8, мультиплікатор 9 передається електрогенератори 10. У місцевостях з незмінним напрямом вітру ветроротор може використовуватися в похилому положенні 11.

У прямому гелікоїду (фіг. 2, а) утворює 12 спрямована по радіусу. Він, як відомо [5] описується формулами



де x, y, z декартові координати точок гвинтової поверхні, причому вісь z спрямована уздовж осі ротора;

r радіус відстань від точки до осі ветроротор;

v полярний кут в поперечному перерізі ветроротор;

S крок гвинта.

В процесі зміни кута v координата z відповідно до формули (I) змінюється пропорційно v і однакова для всіх точок утворює, тому все що утворюють в отриманої поверхні горизонтальні. На фіг.2, а-в показаний порядок побудови гелікоїд. Фронтальна і горизонтальна проекції розбиті на однакове число частин. Непарними дрібненькими цифрами 1,3,5, (фіг.2, а) показані проекції точки утворює на зовнішній стороні гелікоїда, парними цифрами 2,4, точки на внутрішній стороні гелікоїда. Площі поверхонь на фронтальному вигляді рівні зліва і праворуч від осі і кривизна їх однакова. Тому при горизонтальному вітрі крутний момент зліва і праворуч від осі однакові і ротор не обертається. Таким чином, якщо вітер v спрямований перпендикулярно до осі ротора (a 90 ^o), то внаслідок симетричного розташування частин лопатей по обидва боки осі ротора крутний момент врівноважується і ротор не обертається. Якщо кут між віссю ротора і вітром зменшується (a <90 ^{), То частини лопатей з одного боку осі ротора розгортаються ребром до вітру, а з іншого площиною, внаслідок чого крутний момент від другої сторони перевершує крутний момент від першої і ротор починає обертатися. При деякому вугіллі _a opt який залежить від довжини ротора L і кроку S, крутний момент досягає максимуму, а з подальшим зменшенням ( ---> 0), що обертає момент зменшується до деякої величини. У зв'язку з цим такий шнековой ротор з гвинтовими лопатями, що мають профіль (1) прямого гелікоїда, використовують в нахиленому положенні.}

Воронкоподібна гвинтова поверхня (фіг.2, б) описується формулами



де вісь z спрямована уздовж осі ротора;

r- радіус відстань від точки до осі ветроротор;

v полярний кут в поперечному перерізі ветроротор;

S крок гвинта;

f (r) - монотонна функція радіуса.

На фіг.2, б показаний воронкоподібний гелікоїд, де утворює 13 є монотонною функцією радіуса z ₀ = f (r), наприклад,

f (r) c (rr ₁₎^n, (3)

де c і n-будь-числа, наприклад, c 0,1; 0,3; 1,5; n0,5; 1; 2;), r ₁ радіус внутрішньої кордону гелікоїда. В процесі зміни кута v координата z згідно з формулою (2) різна для точок утворює 13, що знаходяться на різних радіусах. Наприклад, на внутрішньому радіусі воронкоподібного гелікоїда точки утворює позначені маленькими цифрами 3, 6, 9. Для цих же утворюють середні точки 2, 5, 8 мають великі координати z, а у зовнішніх точок утворюють 1, 4, 7 координати z ще більше. Таким чином, гвинтові лінії точок гелікоїда на різних радіусах зрушені уздовж осі z. Тому гвинтова поверхня стає несиметричною відносно площини, перпендикулярної до осі гелікоїда, тобто набуває воронкоподібного (фіг.2, б, фронтальний вид). Внаслідок воронкоподібного за однакової кількості площ поверхні зліва і праворуч від осі їх кривизни не однакові. При правої намотуванні гвинта, як показано на фіг.2, з лівого боку поверхня опукла, а з правої в основному увігнута. Тому права сторона буде сильніше взаємодіяти з вітровим потоком, внаслідок чого виникає крутний момент, спрямований в праву сторону. Ветроротор (фіг.1, тут вісь z спрямована вниз), утворений валом 1 і декількома такими воронкоподібними гелікоїд 2, з одного боку, від осі матиме увігнуті поверхні, а з іншого опуклі, за рахунок чого і буде приводитися в обертання в напрямку увігнутих поверхонь. При використанні ветроротор в похилому до вітру положенні 11 за рахунок воронкоподібного лопатей його ефективність буде неоднакова: в напрямку вітру v (фіг. 1) ефективність його більше, ніж в зворотному, причому ефективність в цьому напрямку перевищує ефективність похилого шнекового ротора з прямими гвинтовими лопатями.

В окремому випадку воронкоподібного гелікоїда (фіг.2, в) утворює є коса пряма 14, складова з віссю гелікоїда кут g Такий гелікоїд називається косим. Він додатково описується формулами

f (r) = (rr ₁₎ ctg ( ); = Arcsin ((r ₂ -r ₁₎ / h),

де r ₁ і r ₂ внутрішній і зовнішній радіуси шнекового ротора;

h висота гвинтових лопаті.

Косий гелікоїд є окремим випадком воронкоподібного гелікоїда, наприклад, при описі його за допомогою формули (3) косою буде при c ctg ( ) І n = 1. На фіг.2, в точки 1, 3, 5 утворює 14 на зовнішньому радіусі гелікоїда розташовані вище точок 2, 4, 6 на внутрішньому радіусі. Тому він, як і гелікоїд на фіг 2, б, має воронкоподібну форму з увігнутими поверхнями праворуч від осі і опуклими зліва. У загальному випадку прямої, воронкоподібний і косою гелікоїд не можуть бути розгорнутими в площину [6] Однак є один окремий випадок для косого гелікоїда, коли це можливо. У цьому випадку висота гвинтових лопаті повинна розраховуватися за формулою



Тоді гелікоїдний лопаті можуть бути виконані з плоского кільця з внутрішнім радіусом



і зовнішнім

_r 2c = _r 1c + h. (6)

Внутрішня поверхня кільця радіусом _r 1c буде стикуватися з валом радіусом r ₁ по внутрішньої гвинтової лінії, тому що вираз (5) для радіуса кільця _r 1c, як відомо, є радіусом кривизни внутрішньої гвинтової лінії гелікоїда. А зовнішній радіус кільця _r 2c буде утворювати зовнішню поверхню гелікоїда радіусом r _2. З метою перевірки розрахуємо довжини кіл кільця: внутрішньої _l 1c і зовнішньої _l 2c і довжини гвинтових ліній гелікоїда з довжиною, яка дорівнює кроку s: внутрішньої l ₁ і зовнішньої l ₂ при параметрах (4) - (6):



Тепер визначимо, у скільки разів довжина кола кільця більше довжини гвинтової лінії (всередині k ₁ і зовні k _2):



Тобто k ₁ = k ₂ k. Оскільки радіус r ₂ узятий довільно, то цей результат справедливий для всіх радіусів гелікоїда. Таким чином, за всіма гвинтових лініях поверхню косого гелікоїда з параметрами (4) - (6) укладається однакове число раз в окружності кільця. Як видно з формули (10), з кільця з параметрами (4) - (6) можна виготовити поверхню гелікоїда довжиною, більшою одного кроку. При необхідності можна збирати гелікоїд з секторів такого кільця.

Шнековий ветроротор (фіг.1) працює в такий спосіб. При напрямку вітру v навантаження сприймають розташовані зліва від осі увігнуті ділянки лопатей (на фіг. 1 показаний трехзаходний воронкоподібний гелікоїд з правого навивкой і спрямованої вниз остю z), внаслідок цього виникає спрямований вліво крутний момент. При зміні напрямку вітру момент не змінюється. Ветроротор обертається в підшипникових опорах 4 і 5 і через передачу 8 обертання від нього передається мультиплікатору 9, а потім електрогенератори 10. ветроротор може монтуватися в горизонтальному положенні, з'єднуватися внизу короткого типу 6, потім за допомогою розтяжок 7 і додаткової стійки (падаючої стріли, на фіг.1 не відображено) відомими методами підніматися в вертикальне положення. У місцевостях з незмінним напрямом вітру ветроротор може використовуватися в похилому положенні так, щоб вісь z становила з вітром тупий кут (на фіг.1, положення II). В цьому випадку воронкоподібні гвинтові лопаті як би захоплюють вітрової потік. У похилому положенні шнековий ветроротор з воронкоподібними лопатями можна використовувати і в орієнтується конструкціях, як використовується шнековий ротор з прямими лопатями, але ефективність його буде велика, ніж у прямого.

Ділянки гвинтових лопатей шнекового ротора мають гострий кут атаки з потоком, що набігає і крутний момент створюється як за рахунок різниці опору лопатей по обидва боки ротора, так і за рахунок підйомних сил. Внаслідок цього коефіцієнт використання енергії вітру підвищується в порівнянні з ротором Савоніуса. Крім того, протягом обороту в шнековом роторі немає перерв взаємодії лопатей з вітровим потоком в напрямку обертання, внаслідок чого ефективність збільшується додатково до величин 0.3, як для вбагатолопатеву вітроколіс [2]
Знаходяться під вітровим навантаженням ділянки гвинтової лопаті підтримуються сусідніми по довжині ділянками лопатей, тому напруги від відцентрових і згинальних навантажень в лопаті в шнековом роторі значно менше (на 1-2 порядки).

Протягом одного обороту з вітровим потоком взаємодіє практично одна і та ж величина площі поверхні гвинтових лопатей (змінюються лише різні ділянки лопатей). Тому в порівнянні з роторами Савоніуса і Дарії шнековий ветроротор з воронкоподібними гвинтовими поверхнями характеризується високою плавністю роботи, відсутністю вібрації і втомної навантаження, викликаних циклічністю роботи, значно меншими акустичними і електромагнітними перешкодами і зниженим впливом на птахів і інших тварин (відсутні вібрації для гризунів і шум для наземних). Заявляється ветроротор відчуває менші изгибающие і відцентрові навантаження, особливо в порівнянні з ветроротор Дарині і Дарії-подібними роторами. У порівнянні з ротором Савоніуса він має більший коефіцієнт використання енергії вітру, а в порівнянні з швидкохідними Дарині-подібними ветроротор, у яких малий початковий обертовий момент, що заявляється ветроротор має велику вибірку енергії при малих швидкостях. У порівнянні зі шнековим ротором з прямими гвинтовими лопатями заявляється ветроротор має велику ефективність в похилому положенні, більш просту технологію виготовлення (в разі виконання відповідно до формулами (4) - (6), може використовуватися у вертикальному положенні, що конструктивно спрощує вітроустановку і дозволяє більш ефективно використовувати енергію вітру незалежно від його напряму.

Було виконано декілька шнекових ветроротор з воронкоподібними гвинтовими лопатями, що мають діаметри D ₂ і довжину L:

• трехзаходний ветроротор з D ₂ = 147 мм, L = 690 мм, за формулами (4) - (6);
• трехзаходний ветроротор з D ₂ = 200 мм, L = 920 мм, (воронкообразная гвинтова поверхня утворилася п'ятьма секторами на один крок);
• трехзаходний ветроротор з D ₂ = 184 мм, L = 920 мм, за формулами (4) - (6);
• двухзаходная ветроротор з D ₂ = 200 мм, за формулами (4) - (6) (гвинтова поверхня утворена трьома секторами на один крок);
• а й інші верторотори, в тому числі і з прямими гвинтовими лопатями. Ці чотири ротора мали різну воронкоподібного. Всі вони під впливом вітрового потоку добре оберталися в вертикальному положенні. Особливо ефективно робота воронкоподібних гвинтових ветроротор виглядала в порівнянні з похилими ветроротор з прямими гелікоїдний лопатями при нестійкому у напрямку вітрі. Воронкоподібні гвинтові ветроротор незважаючи на нестійкий вітер оберталися практично рівномірно, в той час як у похилих неоріентіруемих обертання було мінливе, а похилі ориентовні постійно змінювали своє становище.

Ветроротор з прямими гвинтовими лопатями і ветроротор з воронкоподібними лопатями N1 продувалися в аеродинамічній трубі. В результаті продувки було встановлено, що в похилому положенні коефіцієнт використання енергії вітру x ветроротор N1 в 1,34 рази більше, ніж для ветроротор з прямими гвинтовими лопатями. Тому заявляється ветроротор має велику енергетичну ефективність як у вертикальному, так і в похилому положенні.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

1. Зубарєв В.В. Мінін В.А. Степанов І.Р. Використання енергії вітру в районах Півночі. Л. Наука, 1989, с.208 (см.с.9).

2. Ветроенергетіка.Под ред. Д.Рензо. Пер. В.В.Зубарева, М.О. Франкфурта під ред. Я.І.Шефтера.-М. Вища школа, 1982, с.272 (див. С. 44, рис. 1.22).

3. Зубарєв В.В. Мішин В.А. Степанов І.Р. Використання енергії вітру в районах Севера.-Л. Наука, 1989, с.208 (див. С. 32).

4. Патент Росії 1225912,4 МКІ F 03 D 5/00, 1986.

5. Математичний енциклопедичний словарь.-М. Радянська енциклопедія, 1988,848 с. (См.с. 141).

6. Гордон В.О. Семенцов-Огієвський М.А. Курс нарисної геометрії. - М. Наука, 1988, с.272 (див. С. 160).

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Шнековий ветроротор, що містить вал і закріплені на ньому гвинтові лопаті, що відрізняється тим, що гвинтові лопаті виконані воронкоподібними з декартовими координатами точок поверхні



де вісь Z спрямована уздовж осі ветроротор;

r радіус, відстань від точок до осі ротора;

v - полярний кут в поперечному перерізі ветроротор;

S крок гвинта;

f (r) монотонна функція радіуса.

2. ветроротор по п. 1, який відрізняється тим, що воронкоподібні гвинтові лопаті виконані у вигляді косого гелікоїда і описується формулами

f (r) = (rr ₁₎ ctg ( );

= Arcsin ((r ₂ -r ₁₎ / h),

де r ₁ і r ₂ внутрішній і зовнішній радіуси ветроротор;

- Кут між віссю і утворює косого гелікоїда;

h висота гвинтових лопаті, що розраховується за формулою

при цьому лопата виконана з плоского кільця з внутрішнім радіусом

і зовнішнім радіусом

_r 2c r 1c + h.

3. ветроротор по пп.1 і 2, що відрізняється тим, що ветроротор встановлений вертикально.

Версія для друку
Дата публікації 17.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів