Воздушная турбина для волновой энергоустановки
AIR TURBINE FOR WAVE POWER PLANT

Изобретение относится к области волновой энергетики, в частности к волновым установкам, использующим энергию осциллирующего водяного столба.
Известна воздушная турбина Уэллса, направление вращения которой не зависит от направления потока воздуха или жидкости, имеющая лопасти симметричного профиля, плоскости, симметрии которых перпендикулярны оси вращения рабочего колеса турбины (Информационный ресурс: https://amp.ru.google-info.cn/2239578/l/turbina-uelsa.html).
К недостаткам аналога относится то, что для обеспечения эффективной работы турбины требуется, чтобы окружная скорость лопасти в несколько раз превышала осевую скорость потока. Например, для симметричного профиля лопасти с критическим углом атаки 15°, тангенс которого равен отношению осевой скорости V к окружной скорости U, tg15°=V/U=0, 268, U>V/0,268>3,73V. То есть для устойчивой работы турбины без срыва потока требуется ее предварительная раскрутка и обеспечение запаса кинетической энергии для исключения быстрого падения скорости вращения при смене направления осевого потока.
Известна турбина волновой энергетической установки (АС СССР №1783140, опубл. 23.12.1992 г., БИ №47), в которой возможно использование переменного по направлению воздушного потока, ее рабочее колесо содержит ступицу с поворотными лопастями симметричного аэродинамического профиля, оси, вращения которых лежат в плоскостях симметрии профилей параллельно их носикам и перпендикулярны оси вращения рабочего колеса. Ось вращения каждого профиля расположена между центром давления и носиком, а центр масс находится между центром давления и задней кромкой профиля.
Данная турбина по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Недостатки прототипа заключаются в том, что инерционные силы, возникающие при разгоне и торможении рабочего колеса и приложенные к центрам масс лопастей, не влияют прямым образом на установку лопастей под оптимальными углами атаки. Кроме того, при вертикальной ориентации оси вращения рабочего колеса, момент вращения, создаваемый весом лопасти, может складываться или вычитаться из момента создаваемого силой инерции в зависимости от направления осевого потока воздуха, т.е. при восходящем и нисходящем потоках лопасть должна устанавливаться под разными углами атаки.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности работы воздушной турбины, использующей энергию осциллирующего водяного столба волновой энергоустановки.
Для достижения указанного технического результата в воздушной турбине для волновой энергоустановки, содержащей рабочее колесо, состоящее из ступицы и поворотных лопастей симметричного аэродинамического профиля, ось вращения каждой лопасти лежит в плоскости симметрии профиля параллельно его носику и перпендикулярно оси вращения рабочего колеса, у рабочих лопастей ось вращения совмещена с центром давления профиля, а у управляющих лопастей ось вращения расположена между центром давления профиля и его носиком, у всех лопастей центр масс совпадает с их осями вращения, на торцах цапф управляющих лопастей жестко закреплены зубчатые конические колеса, а на торцах цапф рабочих лопастей закреплены аналогичные зубчатые конические колеса с возможностью поворота в обе стороны относительно плоскости симметрии профиля на угол, равный оптимальному углу атаки аэродинамического профиля рабочей лопасти, за счет закрепления на торцах цапф пальцев, перпендикулярных плоскости симметрии профиля и размещенных между упорными штифтами, закрепленными на зубчатых конических колесах, между зубчатыми коническими колесами, принадлежащими чередующимся рабочим и управляющим лопастям, размещены входящие с ними в зацепление свободновращающиеся одинаковые с ними зубчатые конические колеса.
Отличительными признаками предлагаемой воздушной турбины являются:
- совмещение у рабочих лопастей оси вращения с центром давления профиля,
- расположение у управляющих лопастей оси вращения между центром давления профиля и его носиком,
- совпадение центр масс у всех лопастей с их осями вращения,
- жесткое закрепление зубчатых конических колес на торцах цапф управляющих лопастей,
- закрепление зубчатых конических колес на торцах цапф рабочих лопастей с возможностью их поворота в обе стороны относительно плоскости симметрии профиля на угол, равный оптимальному углу атаки аэродинамического профиля рабочей лопасти,
- закрепление на торце цапф рабочей лопасти пальцев перпендикулярно плоскости симметрии профиля, размещенных между упорными штифтами, закрепленными на зубчатых конических колесах,
- размещение свободновращающихся зубчатых конических колес, принадлежащим чередующимся рабочим и управляющим лопастям, входящими с ними в зацепление.
Благодаря наличию этих признаков сокращается время выхода воздушной турбины на максимальные обороты и повышается ее аэродинамическая эффективность за счет установки рабочих лопастей под оптимальными углами атаки.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 показана схема взаимодействия управляющих и рабочих лопастей.
На фиг. 2 - разрез воздушной турбины плоскостью проходящей через оси вращения управляющих лопастей и перпендикулярной оси вращения рабочего колеса.
На фиг. 3 - разрез воздушной турбины плоскостью проходящей через ее ось вращения и ось вращения рабочей лопасти.
Воздушная турбина для волновой энергоустановки содержит ступицу 1, втулки 2, поворотные лопасти разделены на чередующиеся рабочие лопасти 3 и управляющие лопасти 4, цапфы 5, зубчатые конические колеса 6, пальцы 7, упорные штифты 8. α - оптимальный угол атаки соответствующей максимальной величине аэродинамического качества. С - центр аэродинамического давления. О - ось вращения управляющей лопасти 4. U - осредненная окружная скорость рабочей лопасти 3. V - скорость осевого потока. W - направление воздушного потока.
Предлагаемая воздушная турбина работает следующим образом.
В начальном положении при неподвижном рабочем колесе воздушной турбины развитие волнения в акватории вызывает в ее проточном тракте появление переменного по направлению воздушного потока.
Поскольку центр аэродинамического давления «С» управляющей лопасти 4 смещен относительно ее оси вращения «О» в сторону задней кромки, воздушный поток поворачивает лопасть 4 по направлению воздушного потока «W» (на начальном этапе «V»). При этом зубчатое коническое колесо 6 жестко закрепленное на торце цапфы 5 управляющей лопасти 4 через промежуточное зубчатое коническое колесо 6 приводит во вращение зубчатое коническое колесо 6 закрепленное на цапфе 5 рабочей лопасти 3 до касания пальцем 7 упорного штифта 8, после чего лопасти 3 и 4 поворачиваются синхронно. Рабочие лопасти 3 чередуются с управляющими лопастями 4.
Предлагаемое изобретение всегда обеспечивает обтекание рабочей лопасти 3 воздушным потоком «W» под оптимальным углом а независимо от соотношения скоростей осевого потока V и осредненной окружной скорости «U».
Для снижения потерь на трение цапфы 5 поворотных лопастей 3 и 4 помещены внутрь втулок 2 закрепленных на внутренней поверхности ступицы 1 и снабжены, например, подшипниками качения.