Патент 2220320

Вихревая лопасть шепталина

 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в конструкциях винтов роторов ветряных двигателей. Технический результат, заключающийся в увеличении интенсивности эффекта перераспределения полной энергии ветрового потока за счет обеспечения условий образования во внутренней полости лопасти вращающихся вихревых потоков, обеспечивается за счет того, что в лопасти, выполненной в форме направляющего оперения, согласно изобретению оперение выполнено с превалирующим односторонним расширением от концевой части и содержит базовую вихреобразующую полость и, как минимум, одну, расположенную во внутренней части лопасти, ориентирующую вихреобразующую полость, при этом наружные поверхности направляющего оперения и базовой вихреобразующей полости являются плавно сопрягаемыми частями общей конусообразной поверхности. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в конструкциях винтов роторов ветряных двигателей.

Известно ветроколесо Ювенала, содержащее две изогнутые и наклоненные к горизонтальной оси вращения лопасти, изогнутые по конической спирали, имеющие округленные кромки и соединенные между собой с образованием двухзаходного S-образного шнека (1).

Недостаток известного технического решения состоит в том, что эффективность ветроколеса, обусловленная реактивными струями, вытекающими из ветроколеса в направлениях, обратных вращению, зависит только от скоростного напора ветряного потока, так как лопасти ветроколеса Ювенала не содержат элементов саморегулирующей системы вращения. Наличие этого недостатка ограничивает использование располагаемой мощности при небольшом ветре и повышает требования к прочности конструкции ветроколеса при больших порывах ветра.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является винт Белашова (2), содержащий приводной вал с полой втулкой и размещенный во втулке механизм синхронизации оптимального вращения. Каждая лопасть винта снабжена установленным в концевой ее части обтекаемым направляющим оперением с внутренней полостью, осью вращения, закрепленной в лопасти, и подпружиненным обтекаемым закрылком, установленным на оси вращения. Механизм синхронизации снабжен подпружиненными с двух сторон муфтами сцепления, связывающими оси лопастей с приводным валом.

Недостаток известного винта Белашова состоит в том, что в случае применения его в качестве винта ветряного двигателя эффективность, обусловленная действием отталкивающей силы, которая будет приложена от внешнего основания саморегулирующего закрылка и направлена в противоположную сторону вращающего момента винта, зависит только от скоростного напора ветряного потока, так как лопасти винта Белашова не содержат элементов саморегулирующей системы вращения от действия отталкивающей силы. Наличие этого недостатка ограничивает использование располагаемой мощности при небольшом ветре.

Цель предлагаемого технического решения - повышение коэффициента использования энергии слабых ветровых потоков и ограничение частоты вращения лопасти при сильных ветровых потоках за счет интенсификации эффекта перераспределения полной энергии ветряного потока путем обеспечения условий образования во внутренней полости лопасти вихревых потоков.

Поставленная цель достигается тем, что лопасть содержит обтекаемое направляющее оперение с превалирующим односторонним расширением от концевой части к оси вращения лопасти, базовую вихреобразующую полость и, как минимум, одну, расположенную во внутренней части лопасти, ориентирующую вихреобразующую полость, при этом наружные поверхности обтекаемого направляющего оперения и базовой вихреобразующей полости являются плавно сопрягаемыми частями общей конусообразной поверхности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая лопасть отличается тем, что обтекаемое направляющее оперение выполнено с превалирующим односторонним расширением от концевой части к оси вращения лопасти и содержит базовую вихреобразующую полость и, как минимум, одну, расположенную во внутренней части лопасти, ориентирующую вихреобразующую полость, при этом наружные поверхности обтекаемого направляющего оперения и базовой вихреобразующей полости являются плавно сопрягаемыми частями общей конусообразной поверхности.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг.1 изображен один из возможных вариантов конструкции лопасти; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Лопасть (фиг. 1) содержит обтекаемое направляющее оперение 1, имеющее внутренние поверхности входа потока 2 и схода потока 3, а также внешние поверхности входа потока 4 и схода потока 5; базовую вихреобразующую конусообразную полость 6; ориентирующую вихреобразующую полость 7.

Лопасть работает следующим образом.

При набегании воздушного ветрового потока на лопасть происходит профильное обтекание воздушными частицами как внутренней, так и наружной ее поверхностей. При этом лопасть, имеющая несимметричные по вертикальной оси поперечные профильные сечения с углами атаки, зависящими от угла установки лопасти, оказывает возмущающее воздействие (1, с. 73) набегающему на нее ветровому потоку, обуславливая тем самым разность давлений между внутренней и наружной поверхностями обтекаемого направляющего оперения 1, а соответственно, и возникновение аэродинамических сил (1, с. 75), обуславливающих вращение лопасти.

Учитывая вышеизложенное, рассмотрим процессы возмущающего воздействия при обтекании воздушным ветровым потоком внутренней и наружной поверхностей лопасти.

Обтекание воздушными частицами ветрового потока внутренней поверхности лопасти начинается с поверхности входа потока 2. Воздушные частицы, попавшие на поверхность входа потока 2, отражаются от нее и далее, по поверхности схода потока 3, стекают за пределы лопасти. От воздействия воздушных частиц на поверхность входа потока 2 возникают отталкивающие силы, приводящие лопасть в движение вокруг оси вращения, в направлении, противоположном стеканию воздушных частиц с поверхности схода потока 3. При этом движение воздушных частиц по поверхностям входа потока 2 и схода потока 3 происходит по криволинейной траектории, обусловленной формой обтекаемого направляющего оперения 1. Это, в свою очередь, обуславливает возникновение в потоке движущихся воздушных частиц - центробежных (массовых) сил, преобразующихся в поверхностные (статическое давление), которые создают дополнительные усилия, воздействующие на внутреннюю поверхность обтекаемого направляющего оперения 1, способствуя тем самым вращению лопасти с образованием воздушных реактивных струй, выходящих за пределы границы поверхности схода потока 3, что в конечном счете повышает эффективность лопасти при слабых ветровых потоках. Начавшееся вращательное движение лопасти приводит к частичному с тангенциальной составляющей смещению воздушных частиц по поверхности входа потока 2 к сопрягаемой с ней базовой вихреобразующей полости 6. Поток смещенных воздушных частиц, достигших базовой вихреобразующей полости 6, воздействует на частицы воздушных масс, заполняющие ее объем, и образует с ними суммарный вращающийся вихревой поток. В суммарном вращающемся вихревом потоке возникают центробежные силы, преобразующиеся в поверхностные, создающие в свою очередь, повышенное, усиливаемое за счет эффекта перераспределения полной энергии в потоке (3, с. 447), давление в верхней области базовой вихреобразующей полости 6. При слабых ветровых потоках вихревой поток, выходя за счет осевой составляющей скорости за пределы базовой вихреобразующей полости 6, оказывает начальное воздействие в области зоны ее сопряжения с внутренней поверхностью обтекаемого направляющего оперения 1. В результате в зоне сопряжения создаются дополнительные усилия, действующие на поверхность входа потока 2, способствующие вращению лопасти, с образованием истекающих за границу поверхности входа потока 2 выходных воздушных реактивных струй, что также способствует повышению эффективности лопасти. При этом ослабляющим встречным воздействием воздушных частиц вихревого потока на обтекающие поверхность выхода потока 3 воздушные струи основного потока можно пренебречь, т.к. величина площади поверхности выхода потока 3 в зоне сопряжения значительно меньше величины площади поверхности входа потока 2. При увеличении скорости ветрового потока, вихревой поток в виде вихревого шнура (3, с. 12) выходит за пределы области зоны сопряжения базовой вихреобразующей полости 6 с внутренней поверхностью обтекаемого направляющего оперения 1, оказывая возмущающее воздействие на воздушные частицы основного ветрового потока, которые огибают его, не попадая на внутреннюю поверхность обтекаемого направляющего оперения 1, что приводит к ограничению по вертикальной оси лопасти рабочей части внутренней поверхности обтекаемого направляющего оперения 1 и соответственно к ограничению роста скорости вращения лопасти. При дальнейшем увеличении скорости ветрового потока, а соответственно, и скорости вращения лопасти траектория вертикального перемещения вихревого шнура под действием встречного потока воздуха в плоскости оси вращения лопасти изгибается, переходит в криволинейную. Растущий вихревой шнур отклоняется и уходит в плоскости вращения лопасти с внутренней поверхности обтекаемого направляющего оперения 1, тем самым ограничивается степень его возмущающего воздействия на ветровой поток в оставшейся рабочей части внутренней поверхности обтекаемого направляющего оперения 1, где аналогично вышеописанному действует вихревой шнур ориентирующей вихреобразующей полости 7, установленной в зоне перехода траектории вихревого шнура базовой вихреобразующей полости 6 с прямолинейной на криволинейную траекторию и оказывающей возмущающее воздействие на оставшуюся рабочую часть внутренней поверхности обтекаемого направляющего оперения 1, что приводит к максимальному снижению роста скорости вращения лопасти при дальнейшем увеличении скорости ветрового потока.

Обтекание воздушными частицами ветрового потока наружной поверхности лопасти происходит по криволинейной траектории, обусловленной формой обтекаемого направляющего оперения 1, и начинается с поверхности входа потока 4. При этом на начальном (конфузорном - 3, с. 187) участке поверхности входа потока 4 поток движущихся воздушных частиц ускоряется и происходит снижение давления, достигающее минимального значения в зоне сопряжения поверхности входа потока 4 с поверхностью схода потока 5, что способствует вращению лопасти. Далее, на начальном (диффузорном - 3, с. 187) участке на поверхности схода потока 5 происходит отрыв пограничного слоя потока движущихся частиц воздуха, сопровождающийся увеличением давления на поверхность схода потока 5, что также способствует вращению лопасти.

Источники информации 1. А.с. СССР 1834416, кл. F 03 D 1/06, опубл. 20.11.95 г.

2. Патент РФ 2046996, кл. 6 F 03 D 7/00, опубл. 27.10.95 г. (прототип).

3. М.Е. Дейч. Техническая газодинамика. М., "Энергия", 1974 г.

4. Комментарии к Российскому патентному законодательству (справочное пособие патентоведов и изобретателей), СП-2, Роспатент - ВНИИГПЭ, М., 1994 г.

Формула изобретения

1. Лопасть, содержащая обтекаемое направляющее оперение, отличающаяся тем, что обтекаемое направляющее оперение выполнено с превалирующим односторонним расширением от концевой части к оси вращения лопасти и содержит базовую вихреобразующую полость, при этом наружные поверхности обтекаемого направляющего оперения и базовой вихреобразующей полости являются плавно сопрягаемыми частями общей конусообразной поверхности.

2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что содержит как минимум одну, расположенную во внутренней части лопасти, ориентирующую вихреобразующую полость.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2