УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО СВОБОДНОГО ПОТОКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ В ЭНЕРГИЮ ВРАЩЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РОТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к энергетике, в частности, к конструкции устройства для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды (газ, жидкость и др.) в энергию вращения механического ротора в промышленных масштабах.
Предлагаемая полезная модель может быть применена и использована в различных типах энергетических устройств (ветроагрегатах, виндроторах и т.д.) с вертикальной осью вращения, которые преобразуют энергию поступательного движения воздуха или воды в энергию вращения механического ротора, соединенного с валом электрогенератора ветроэнергетических агрегатов.
Предлагаемая полезная модель, если ее поместить в реку, может быть использована как гидравлический двигатель роторный (ГДР), работающий без плотины, что актуально для малых и горных рек.
Известны конструкции лопастных ветроагрегатов с вертикальной осью вращения типа Дарье (www.rusnauka.com/11.NPRT 2007/Tecnic/22187), или типа Савониуса (патент RU 2182258)и др., установленные в свободном потоке газа или жидкости.
Однако, в настоящее время эти установки не получили широкого распространения, так как у лучших установок этого типа КПД≈0,3-0,4, единичная мощность достигает значений 1-2 МВт, стоимость 1кВт установленной мощности составляет 2-4 тысячи долларов за 1 кВт.
Хотя эти установки не генерируют вредные для биосферы звуковые волны низкой частоты, они сложны в изготовление и в необходимости выведения их на рабочий режим.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора, содержащее, по крайней мере, одну турбину, включающую ротор с вертикальной осью вращения и лопастями, соосно установленный с ротором неподвижный статор с направляющими лопатками, и электрогенератор, механически связанный с валом ротора, (см. RU 2352810)
Известное устройство работает без системы ориентации относительно направления свободного потока сплошной среды, воспринимает его локальные порывы, не генерирует в окружающее пространство вредных излучений.
Однако, известная конструкция обладает рядом недостатков:
- наличие цилиндрического ротора, лопатки которого вращаются с большой окружной скоростью в потоке сплошной среды поступающего через боковую поверхность статора, не позволяет создавать турбины с большей единичной мощностью;
- увеличение единичной мощности турбины влечет за собой увеличение диаметров ротора и статора, что приводит к необходимости уменьшать частоту вращения лопастей ротора. Вследствие чего, КПД снижается до 12-15% от эффективной энергии потока.
- не возможность использовать энергию восходящего свободного потока сплошной среды.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой полезной моделью, является создание устройства для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора, позволяющего повысить его:
- коэффициент использования энергии свободного потока сплошной среды;
- единичную мощность за счет использования мощности энергии восходящего свободного потока сплошной среды (т.е. преобразовывать плоский поток, проходящий через боковую поверхность статора в пространственный поток, направленный по оси вращения ротора).
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием устройства для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора, содержащего, по крайней мере, одну турбину, включающую, по крайней мере, один ротор с вертикальной осью вращения и лопастями, соосно установленный с ротором неподвижный статор с направляющими лопатками и пластинами конфузора, и электрогенератор, механически связанный с валом ротора, в котором, согласно полезной модели, внутренняя поверхность статора имеет форму решетчатого однополостного гиперболоида вращения, образованного прямолинейными элементами, на которых по внешней поверхности установлены направляющие лопатки статора, ротор состоит из направляющих, которые образуют его конусную поверхность и прямолинейных лопастей, установленных вдоль направляющих, причем лопасти, предназначены для вращения ротора, и поворота, и закручивания потока, проходящего через боковую поверхность турбины, по направлению оси вращения ротора в сторону проницаемого основания конической поверхности ротора, при этом прямолинейные элементы статора и образующие ротора в проекции на фронтальной плоскости имеют точки пересечения, а, по крайней мере, одна из торцевых поверхностей ротора выполнена проницаемой для свободного потока сплошной среды.
Выполнение ротора из нескольких секций, вращающихся с разными угловыми скоростями, и соединение каждой секции со своим электрогенератором, позволяет создать энергосистемы в широком диапазоне скоростей набегающего потока.
Предлагаемое техническое решение устройства для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора по сравнению с известными техническими решениями обладает следующими преимуществами:
- конструкция статора позволяет увеличить площадь используемого потока сплошной среды, производит предварительное ускорение и закрутку, увеличивает его закрутку и увеличивает давление потока на лопасти ротора, что увеличивает его крутящий момент и, следовательно, мощность двигателя;
- каркасы ротора и особенно статора позволяют выполнить конструкцию предлагаемого технического решения необходимой жесткости и прочности, но с меньшей материалоемкостью;
- предусмотрена возможность увеличения мощности этого устройства путем подсоединения к нему другого такого же устройства.
- предлагаемые конструкции лопаток статора и пластин конфузора являются шумопоглощающими экранами, препятствующими распространению звуковых волн, возникающих при работе устройства.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных конструкциях устройств для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеприведенным описанием устройства и чертежами, где
На фиг.1 - показан продольный разрез устройства для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора
На фиг.2 - показан продольный разрез турбины устройства для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора;
На фиг.3 показан вид I-I фиг 1;
На фиг.4 - показан вид А фиг 1.
Устройство для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора состоит из, по крайней мере, одной турбины, включающей ротор 1 с вертикальной осью вращения и лопастями 2, соосно установленный с ротором неподвижный статор 3 с направляющими лопатками 4 и пластинами конфузора 5 и электрогенератор 6, механически связанный с валом 7 ротора.
Причем ось вращения турбины расположена перпендикулярно к набегающему свободному потоку сплошной среды.
Внутренняя поверхность статора 3 сформирована двумя семействами прямолинейных элементов 8 в виде решетчатого однополостного гиперболоида вращения и на внешней поверхности прямолинейных элементов 8 установлены направляющие лопатки 4 статора 3.
Предлагаемое расположение направляющих лопаток позволяет создавать поступательным (набегающим), свободным потоком сплошной среды дополнительный импульс в направлении вращения ротора, и поворачивать часть потока вдоль оси вращения ротора.
Ротор 1 состоит из направляющих, которые образуют его конусную поверхность, а прямолинейные лопасти 2, установлены вдоль направляющих ротора.
Лопасти 2 вращают ротор 1, поворачивают и закручивают свободный поток сплошной среды, проходящий через боковую поверхность статора 3, по направлению оси вращения ротора в сторону основания конической поверхности ротора.
Это позволяет увеличить массу потока, проходящего через ротор 1 турбины, а, следовательно, и увеличить мощность, передаваемую на вал электрогенератора установленного на опоре 9 статора 3.
В предлагаемой полезной модели прямолинейные элементы 8 статора 3 и конусные направляющие ротора 1 в проекции на фронтальной плоскости имеют точки пересечения 10. За счет этого, при вращение ротора образуется эффект, возникающий при обтекании винтовых лопастей турбин с вертикальной осью вращения, что способствует повороту потока в направлении оси вращения ротора в сторону его основания.
Таким образом, дополнительная масса потока проходит по оси устройства и увеличивает массу и скорость потока, поступающего через боковую поверхность, лопатки статора и пластины конфузора на вращающиеся лопатки ротора, и при неизменной скорости внешнего потока способствует увеличению момента вращения механического ротора.
В предлагаемой конструкции, по крайней мере, одна из торцевых поверхностей 11, 12 статора и ротора выполнены проницаемой для свободного потока сплошной среды. Они могут быть выполнены в виде решетчатой поверхности, или свободных секторов, или несущих элементов турбин.
Предлагаемое устройство может быть выполнено в зависимости от технических требований, поставленных перед ним, с ротором 1, состоящим из нескольких секций, вращающихся с разными угловыми скоростями, причем каждая секция соединена со своим электрогенератором 6.
Устройство для преобразования кинетической энергии поступательного свободного потока сплошной среды в энергию вращения механического ротора работает следующим образом:
Поступательный (потенциальный) свободный поток сплошной среды на лопатках статора ускоряется и поступает во внутреннее пространство устройства по направлению вращения ротора по касательной к внутренней поверхности статора.
Одновременно, поток приобретает скорость по касательной к поверхности лопаток 4 статора и частично вдоль оси лопастей 2 ротора.
Часть кинетической энергии потока при этом расходуется на вращение ротора 1, а оставшаяся энергия преобразуется во вращательное движение потока в свободном центральном объеме устройства за лопастями 2 ротора, что приводит к повороту потока по направлению к проницаемым поверхностям статора 3 и ротора 1.
Таким образом, внутри предлагаемого устройства формируется пространственное течение, что приводит к увеличению скорости и массы, поступающей на лопасти ротора 1 через боковую поверхность статора 3. И как следствие вышесказанного, происходит увеличение мощности устройства.
Экспериментальные исследования предлагаемой полезной модели были проведены в свободном потоке жидкости.
Полученные результаты подтвердили эффективность предлагаемой конструкции, что при числе Маха равным 0,02-0,03 увеличивается коэффициент отбора мощности от поступательного свободного потока сплошной среды до величины 0,55-0,6, передаваемой на вал 7 ротора связанного с электрогенератором 6.