СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОТОКА НА ВИНТ ВЕТРО- ИЛИ ГИДРОДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MOVING FLOW IMPACT ON SCREW OF WIND OR HYDRAULIC MOTOR, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники.
Изобретение относится к ветряным и водяным двигателям, преобразующим кинетическую энергию движущегося постоянного потока газа или жидкости, имеющего постоянную скорость, в кинетическую энергию движущихся масс винта.
Уровень техники.
Известны ветродвигатели с принудительным формированием набегающего на винт постоянного во времени воздушного потока, которое достигается ограничением и концентрированием потока трубой и размещением винта внутри трубы.
Наиболее близким аналогом является ветроэнергетическая установка [(19) RU (11) 2103545 (13) С1. (51) 6 F03D 1/02], содержащая аэродинамическую трубу, в наименьшем круглом сечении которой размещен воздушный винт. Недостатком известного способа является низкий к.п.д. преобразования энергии потока. Недостатком известного устройства является неполный отбор мощности у потока, несмотря на принудительное концентрирование ее посредством аэродинамической трубы. Кроме того, при низкой скорости потока вращающий момент винта недостаточен для преодоления статического момента сопротивления механизмов нагрузки в фазе запуска («страгивание»).
Задача изобретения - повышение к.п.д. преобразования кинетической энергии движущегося постоянного потока в механическую энергию вращающегося винта. Улучшение пусковых качеств ветряных и водяных двигателей.
Раскрытие изобретения.
Движущийся постоянный поток, имеющий постоянную скорость, преобразуется в переменный импульсный поток, который в свою очередь воздействует на винт. Преобразование потока осуществляется с помощью щеле-винтовой группы в аэродинамической трубе, которая, кроме функции управления формой потока, позволяет концентрировать и регулировать мощность потока. Известно, что количество энергии, отбираемой винтом, пропорционально величине изменения скорости потока или величине изменения динамического давления потока при прохождении потока через винт:
где ΔЕ - количество энергии, отобранное винтом, Дж;
1
2
ν, ν - величина скорости потока перед винтом и за винтом соответственно, м/с;
m - масса потока, прошедшего через винт, кг;
Откуда получаем:
где ΔЕ - количество энергии, отобранное винтом, Дж;
Δp - величина изменения динамического давления потока, при прохождении потока через винт, Па;
1
2
ν, ν - величина скорости потока перед винтом и за винтом
соответственно, м/с;
3
ρ - величина плотности среды, из которой состоит поток, кг/м;
Для винта в аэродинамической трубе (прототип), при постоянном потоке получим следующие уравнения:
Величина динамического давления потока перед винтом составит
1
где p - величина динамического давления потока перед винтом, Па;
ρ - плотность среды потока (в данном случае - плотность воздуха),
1
ν - скорость потока перед винтом, м/с;
Величина динамического давления за винтом составит
2
где р - величина динамического давления потока за винтом, Па;
ρ - плотность среды потока (в данном случае - плотность воздуха),
- скорость потока за винтом, м/с;
диф.
р - величина разрежения, создаваемого диффузором трубы (зависит от конструкции, наличия трубок разрежения и др.), Па.
Тогда величина изменения динамического давления при прохождении потока через винт составит
Для импульсного способа преобразования энергии потока получим следующие уравнения:
Величина динамического давления импульса потока перед винтом:
инерц.
где р - динамическое давление, обусловленное инерционными свойствами среды, проявляющимися при быстром торможении потока, в результате перекрытия щелей фронтальным поверхностями винта, Па;
инерц.
где F - сила инерции потока, возникающая при быстром перекрытии щелей, Н;
1
2
S - площадь наименьшего сечения аэродинамической трубы, м;
- величина ускорения торможения потока, при перекрытии щелей, ;
Тогда величина динамического давления потока перед винтом составит
Величина динамического давления за винтом описывается уравнением
Работа импульсной установки основана на использовании переходных процессов. Поэтому постоянное движение потока в завинтовой части трубы отсутствует, а имеет место периодическое инерционное движение потока, что позволяет создавать дополнительное разрежение за винтом. При номинальной частоте вращения винта время отпирания щелей мало. Поток ударяет в лопасти винта, после чего щели вновь перекрываются. Отработанный поток с лопастей винта движется по инерции (поскольку щели перекрыты) и под действием разрежения, создаваемого диффузором. В фазе очередного отпирания щелей имеет место следующая аэродинамическая картина: перед винтом давление потока представлено динамическим давлением и инерционным давлением (результат предыдущего отсечения потока), за винтом имеет место разрежение, созданное диффузором и отработанным потоком, движущимся по инерции. Таким образом, по сторонам винта создается максимальная разница давлений, значительно превосходящая по величине разницу динамических давлений, имеющую место при действии постоянного потока на винт:
или
Сравнивая уравнения (4.5.) и (4.12.) видно, что разница динамических давлений для импульсной установки больше, чем разница динамических давлений для установки с постоянным потоком, а, следовательно, больше к.п.д. и лучше пусковые характеристики. Кроме того, инерционные свойства среды (особенно для сред с высокой плотностью вещества), проявляющиеся в работе импульсной установки, позволяют, при определенной частоте вращения винта, использовать явление механического резонанса, что дополнительно увеличит к.п.д. устройства.
Использование переходных процессов в работе импульсной установки не вызовет акустического загрязнения окружающей среды по той причине, что при работе ЩВГ упругие свойства среды не проявляются или проявляются незначительно (пренебрежимо малы). Проявление упругих свойств среды в значительной степени возможно только при критической частоте вращения винта, когда установка идет «вразнос». Для предотвращения подобных режимов в конструкции ЩВГ предусмотрен управляющий щелевой диск, путем проворачивания которого изменяется размер щелей и соответственно частота вращения винта.
Задача повышения к.п.д. преобразования кинетической энергии движущегося постоянного потока в ветроэнергетических установках, гидроэлектростанциях, АЭС, ТЭС, в механическую энергию вращающегося винта решается путем преобразования постоянного потока в переменный импульсный поток и последующего воздействия на винт переменного импульсного потока при переходных процессах, при проявлении инерционных свойств потока, при механическом резонансе. Разница динамических давлений потока, определяющая величину энергии отбираемой винтом, в импульсном потоке на порядок выше разницы динамических давлений постоянного потока, что видно из уравнений (4.5), (4.12). Устройство для импульсного преобразования энергии потока имеет хорошие пусковые качества. В наименьшем сечении канала трубы размещена щеле-винтовая группа, состоящая из расположенных соосно щелевого диска-обтекателя, управляющего щелевого диска и винта, лопасти которого при полностью открытых щелях вместе с обтекателями образуют аэродинамический профиль крыла. В щеле-винтовой группе на винт воздействуют импульсы потока, что особенно эффективно в момент запуска установки. Кроме увеличения к.п.д. и улучшения пусковых качеств, предлагаемая конструкция содержит ряд дополнительных преимуществ. Винт установки выполнен без подвижных сопряжений, конструкция простая и надежная. Частота вращения винта регулируется управляющим щелевым диском, путем изменения пропускной способности щелей. Поскольку площадь щелей составляет 50% от площади наименьшего сечения трубы, скорость потока дополнительно увеличивается в 2 раза, без необходимости увеличивать входное сечение трубы (по сравнению с прототипом). Размещение ЩВГ в трубе надежно защищает элементы конструкции от воздействия атмосферных осадков (дождь, обледенение и т.п.). При аварийном разрушении винта труба надежно защищает окружающих от разлета фрагментов. При полном перекрытии щелей управляющим щелевым диском в трубе имеют место более безопасные и комфортные условия для ремонта, по сравнению с ВЭУ без трубы; по сравнению с прототипом, где ремонт возможен только в штиль, так как иначе ремонт нужно проводить на ветре, усиленном конфузором трубы.
Описание чертежей
1. Фиг.1. - Общий вид установки, предназначенной для импульсного преобразования кинетической энергии движущегося постоянного потока в кинетическую энергию вращающихся масс. Схема.
2. Фиг.2. - Разрез щелевинтовой группы.
3. Фиг.3. - Щелевой диск-обтекатель. Фронтальный вид. Затушированы обтекатели.
4. Фиг.4. - Щелевой диск-обтекатель. Вид с позиции «А» фиг.3.
5. Фиг.5. - Управляющий щелевой диск. Фронтальный вид. Затушированы лопасти управляющего щелевого диска.
6. Фиг.6. - Управляющий щелевой диск. Вид сверху.
7. Фиг.7. - Винт. Фронтальный вид. Затушированы фронтальные плоские поверхности лопастей.
8. Фиг.8. - Винт. Вид сверху.
9. Фиг.9. - Схема расположения элементов ЩВГ в момент полностью открытых щелей.
10. Фиг.10. - Схема расположения элементов ЩВГ в момент открытых (на 50%) щелей.
11. Фиг.11. - Схема расположения элементов ЩВГ в момент полностью закрытых щелей.
Осуществление изобретения.
Движущийся поток, имеющий постоянную скорость, преобразуется в переменный импульсный поток, который в свою очередь воздействует на винт. Преобразование потока осуществляют с помощью щеле-винтовой группы (ЩВГ) (фиг.1). ЩВГ состоит из неподвижного щелевого диска-обтекателя 1, подвижного управляющего щелевого диска 2 и винта 3, и расположена в наименьшем круглом сечении, ориентированной по направлению внешнего постоянного потока, аэродинамической трубы 4, которая имеет конфузор и диффузор, содержащий трубки разрежения 5. Входное и выходное сечения трубы равны. Разрез лопасти каждого из элементов ЩВГ представлен на фиг.2. Элементы ЩВГ выполнены из полимерных материалов, с целью уменьшения их веса. Щелевой диск-обтекатель (фиг.3, фиг.4.) размещается в трубе неподвижно и имеет в конструкции сегментообразные щели 6, числом от 4-х, и сегментообразные обтекатели 7, числом, равным числу щелей. Поперечное сечение обтекателей - полуокружность, с радиусом, увеличивающимся от центра диска. Управляющий подвижный щелевой диск (фиг.5, фиг.6.) размещается в трубе за щелевым диском-обтекателем в специальном пазу и имеет возможность проворачиваться относительно своей оси. Управляющий подвижный щелевой диск имеет количество и размер щелей 8, равные количеству и размеру щелей щелевого диска-обтекателя. Винт (фиг.7, фиг.8) размещается в трубе за подвижным управляющим щелевым диском посредством крепления на первичном вале трансмиссии и имеет лопасти числом, равным числу щелей в щелевом диске-обтекателе. Фронтальная часть лопастей винта - плоская, проекция плоской фронтальной части лопасти винта имеет сегментообразную форму, идентичную форме сегментообразной щели щелевого диска - обтекателя. Элементы ЩВГ расположены соосно.
Устройство работает следующим образом. В режиме отбора максимальной мощности щели управляющего диска расположены точно напротив щелей щелевого диска-обтекателя (фиг.9.). Постоянный поток, сконцентрированный конфузорной частью трубы, проходит щели и воздействует непосредственно на рабочую часть лопастей винта. Винт проворачивается (фиг.10) и плоскими фронтальными частями лопастей полностью перекрывает щели, в результате чего поток отсекается (фиг.11). Динамическое давление потока в конфузорной части трубы приобретает характер статического и имеет максимальное значение. В завинтовой части трубы скорость потока близка к нулю и имеет место разрежение, созданное трубками в стенках диффузора и диффузором. В следующий момент времени, винт по инерции проворачивается и отпирает щели. Поскольку по сторонам винта имеет место максимальная разница давлений, импульс потока обладает максимальной энергией и, воздействуя непосредственно на лопасти винта, наиболее полно передает энергию винту. Так, как воздействие на винт осуществляется импульсами потока, система имеет хорошие пусковые качества даже при низких скоростях потока. При недопустимом увеличении скорости потока управляющий диск посредством автоматической системы управления проворачивается, в результате чего размер щелей уменьшается вплоть до полного их перекрытия. Таким образом, осуществляется эффективное, точное и безопасное управление потоком.