РОТОРНОЕ УСТРОЙСТВО
ROTOR DEVICE

Изобретение относится к технологиям и средствам преобразования и образования кинетической энергии газовых и жидкостных потоков в механическую и образования потоков от привода энергомеханизмов. Заявленное устройство может быть задействовано и как двигатель для получения механической энергии на потоках с малой плотностью энергии (бесплотинные гидроэнергоустановки не стоках рек, ветроэнергетические установки и др.), и как движитель для образования потоков с большими напором и объемом среды.
Известен ветродвигатель (RU №2095622, кл. F03D 3/02, 1994), содержащий поворотную вокруг вертикальной оси платформу, установленные на ней вертикальный киль для ориентации на ветер, рабочее колесо, имеющее перпендикулярный килю горизонтальный вал, снабженный укрепленными на вертикальных стойках опорами, жестко закрепленные на валу ободья, размещенные между ними лопасти, жестко закрепленные на параллельных валу осях, снабженных центрально симметрично размещенными и закрепленными на ободьях опорами, механизм поворота лопастей и механизм стабилизации скорости вращения рабочего колеса, причем вертикальный киль состоит из ряда параллельных пластит обтекаемого профиля, скрепленных между собой расположенными один над другим спрямляющее-направляющими стабилизаторами, выполненными в виде соответственно вогнутых горизонтальных пластин обтекаемого профиля.
Известно также роторное устройство, содержащее барабан, жестко скрепленный с валом отбора мощности, лопасти, попарно закрепленные на валах так, что рабочие плоскости лопастей, составляющих пару, перпендикулярны друг другу, при этом валы выполнены с возможностью независимого друг от друга поворота вокруг своих продольных осей (RU №2289722, кл. F03D 3/06, 2005).
Основным недостатком аналога и прототипа является невозможность использования энергии потока, равного по сечению лопасти в полном объеме, так как большая часть потока сечением, равным площади лопасти, обтекает ее и не участвует в создании давления на лопасть, максимальное воздействие потока на лопасть находится в секторе 25-30° хода лопасти.
Задачей настоящего изобретения является повышение полноты преобразования энергии потока в механическую энергию.
Результатом, проявляющимся при решении поставленной задачи, является создание устройства, обеспечивающего преобразование в механическую энергию порядка 70% энергии потока. Кроме того, обеспечивается возможность применения устройства в режиме движителя для образования потоков среды с большим объемом подачи.
Для решения поставленной задачи роторное устройство, содержащее барабан, жестко скрепленный с валом отбора мощности, лопасти, попарно закрепленные на валах так, что рабочие плоскости лопастей, составляющих пару, перпендикулярны друг другу, при этом валы выполнены с возможностью независимого друг от друга поворота вокруг своих продольных осей, отличается тем, что согласно изобретению барабан размещен в корпусе, содержащем сферическую кольцевую часть и торцевые поверхности, содержащие участок, выполненный в виде усеченного конуса, скрепленного широким основанием с кромками сферических частей корпуса, а узкое основание размещено в полости сферической части корпуса и снабжено круглой пластиной, размещенной параллельно торцам барабана, снабженной отверстием, через которое с возможностью вращения пропущен вал отбора мощности, кроме того, лопасти придана осесимметричная форма, причем ее кромка, обращенная к барабану, выполнена прямолинейной и перпендикулярной оси вала лопасти, боковые кромки которой наклонены под тупым углом к упомянутой кромке, а кромка, обращенная к внутренней сферической поверхности корпуса, описана дугой окружности конгруэнтно дуге окружности, описывающей профиль внутренней сферической поверхности корпуса, кроме того, сечение полости корпуса перекрыто перегородкой, скрепленной с внутренней сферической поверхностью корпуса и боковыми конусными поверхностями его торцевых частей, при этом перегородка с поперечной щелью выполнена с возможностью прохода через нее лопасти, развернутой в диаметральной плоскости сферической части корпуса, кроме того, в полости корпуса с возможностью контактирования с рабочей поверхностью лопасти жестко закреплена направляющая, содержащая участок, расположенный в плоскости, параллельной диаметральной плоскости сферической части корпуса, и восходящий участок к первому участку, начинающийся от выходного окна. Кроме того, в диаметральной плоскости сферической поверхности корпуса закреплены кольцевые направляющие, между которыми размещен обод, при этом между кольцевыми направляющими с возможностью опирания на обод и свободного перемещения по ним размещены концы лопастных валов.
Отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки «барабан размещен в полости корпуса» обеспечивают возможность ограничения сечения потока стенками «канала», образованного корпусом, вмещающим барабан, исключая его самопроизвольный «уход» в окружающее пространство (мимо лопастей).
Признаки, указывающие, что корпус содержит «сферическую кольцевую часть и торцевые поверхности, содержащие участок, выполненный в виде усеченного конуса, скрепленного широким основанием с кромками сферической части корпуса, а узкое основание снабжено круглой пластиной, размещенной параллельно торцам барабана», обеспечивают возможность плотного прилегания кромки лопасти к внутренней поверхности сферической части корпуса в процессе разворота лопастей на валу, исключая «непроизводительный» проход воздуха мимо лопастей.
Признаки, указывающие, что узкое основание торцовой части (круглая пластина) снабжено отверстием, «через которое с возможностью вращения пропущен вал отбора мощности», обеспечивают передачу вращательного движения за пределы корпуса.
Признаки, указывающие, что «лопасти придана симметричная форма, причем ее кромка, обращенная к барабану, выполнена прямолинейной и перпендикулярной оси лопастного вала, боковые кромки лопасти наклонены под тупым углом к упомянутой кромке, а кромка, обращенная к внутренней сферической поверхности корпуса, описана дугой окружности конгруэнтно дуге окружности, описывающей профиль внутренней сферической поверхности корпуса», минимизируют размеры зазоров между внутренней поверхностью корпуса и кромками лопасти и тем самым минимизируют (и стабилизируют) величину усилий, необходимых для поворота лопасти, обеспечивают плавность работы устройства.
Признаки, указывающие, что «сечение полости корпуса перекрыто вертикальной перегородкой, скрепленной с внутренней сферической поверхностью корпуса и боковыми конусными поверхностями его торцевых частей», минимизируют «непроизводительные» потери энергии потока, воздействующего на лопасть.
Признаки, указывающие, что перегородка снабжена «поперечной горизонтальной щелью, выполненной с возможностью прохода через нее лопасти, развернутой параллельно диаметральной плоскости сферической части корпуса», обеспечивают и минимальную площадь щели и беспрепятственный проход через нее лопасти, что необходимо для поддержания процесса вращения барабана и, соответственно, вращения вала отбора мощности.
Признаки, указывающие, что «в полости корпуса с возможностью контактирования с рабочей поверхностью лопасти жестко закреплена направляющая, содержащая участок, расположенный в плоскости, параллельной диаметральной плоскости сферической части корпуса, и восходящий участок к вышеназванному участку, начинающийся от выходного окна корпуса», обеспечивают своевременный разворот лопастей пары таким образом, чтобы на участке корпуса, начинающемся от его входного окна, соответствующая лопасть была обращена наибольшей площадью.
Признаки «в диаметральной плоскости сферической поверхности корпуса закреплены кольцевые направляющие, между которыми размещен обод, при этом между кольцевыми направляющими с возможностью опирания на обод и свободного перемещения по ним размещены концы валов, на которых закреплены лопасти», снижают изгибные усилия, действующие на вал несущий лопасти, что особенно важно при больших размерах корпуса и площадях лопастей.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, на которых показаны два варианта устройства: на фиг.1. показано четырехлопастное роторное устройство, вид сверху в плоскости валов с лопастями; на фиг.2 показан его разрез по А-А; на фиг.3 показано шестилопастное роторное устройство, вид сверху в плоскости валов с лопастями; на фиг.4.показан его разрез по Б-Б.
На чертежах показаны корпус 1, торроидальная полость 2, вал отбора мощности 3, барабан 4, валы 5, 6 и 7, пары лопастей 8 и 9, 10 и 11, детали корпуса 1 (круглые пластины 12-13, конусные участки 14-15 и сферическая часть 16), торроидальный (кольцевой) цилиндр - 17, сектора 18 и 19 корпуса 1, направляющая 20, концы 21 (валов 5, 6 и 7), обод 22, отверстия 23 в стенках барабана 4, вертикальная перегородка образована пластинами 24 и 25, поперечная горизонтальная щель 26, кольцевые направляющие 27, выходное окно 28 корпуса 1.
Роторное устройство включает в себя корпус 1, образованный сферической кольцевой частью 16 и торцевыми поверхностями (содержат участки 14-15, выполненные в виде усеченного конуса, скрепленного широким основанием с кромками сферической части 16 корпуса 1, а узкое основание снабжено круглыми пластинами 12 и 13, размещенными параллельно торцам барабана 4), тем самым образована торроидальная полость 2, в которой размещен вал отбора мощности 3, жестко скрепленный с барабаном 4, через который проходят (с возможностью поворота) валы 5, 6 и 7 с лопастями 8-9, 10-11. Пары лопастей 8 и 9 и 10 и 11 жестко закреплены на концах валов так, что рабочие плоскости лопастей 8 и 10 перпендикулярны рабочим плоскостям соответственно 9 и 11. Круглые пластины 12 и 13, конусное участки 14-15, сферическая часть 16 корпуса 1 и барабан 4 образуют в секторе 18 торроидальную полость - торроидальный (кольцевой) цилиндр - 17, в которой лопасти 8-11 «работают» как плоскостные поршни. В секторе 19 лопасть 9 расположена параллельно диаметральной плоскости сферической части корпуса (и одновременно плоскости вращения валов 5,6) и оперта на участок направляющей 20, расположенный в плоскости, параллельной диаметральной плоскости сферической части корпуса, при этом соосная с нею лопасть 8 в секторе 18 развернута перпендикулярно плоскости вращения валов 5,6. Целесообразно, чтобы направляющая 20 была оснащена рольганговой дорожкой, что позволит уменьшить трение по ней лопасти. Направляющая 20 содержит участок, расположенный в плоскости, параллельной диаметральной плоскости сферической части корпуса, и восходящий участок к вышеназванному участку, начинающийся от выходного окна 28 корпуса 1.
В диаметральной плоскости сферической части 16 поверхности корпуса 1 закреплены кольцевые направляющие 27 между которыми размещен обод 22, при этом между кольцевыми направляющими 27 с возможностью опирания на обод 22 и свободного перемещения по ним размещены концы валов 21 валов 5, 6 и 7, пропущенные с возможностью вращения через отверстия 23, выполненные в стенках барабана 4.
Вертикальная перегородка, образована пластинами 24 и 25, скрепленными с внутренней поверхностью сферической части 16 корпуса и боковыми конусными поверхностями 14 и 16 его торцевых частей. При этом обращенные друг к другу кромки пластин 24 и 25 образуют поперечную горизонтальную щель 26, выполненную с возможностью прохода через нее лопастей 8-11, развернутых параллельно диаметральной плоскости сферической части корпуса.
Корпус 1 состоит из двух половин с фланцевым креплением 27 в диаметральной плоскости (плоскости, проходящей через оси валов 5, 6 и 7.
Устройство работает следующим образом. Поток среды в торроидальном кольцевом цилиндре 17 действует на лопасть 8, продвигая ее, создает крутящий момент на валу отбора мощности 3. Соосная с нею лопасть 9, развернутая параллельно в плоскости вращения валов 5, 6, проходит в щели 26 по рольганговой направляющей 20. От выхода из торроидального цилиндра 17 лопасть 8 в секторе до 60° от него разворачивается восходящим участком направляющей 20 и в конце концов поворачивает лопасть 8 параллельно в плоскость вращения валов 5, 6, при этом соосная лопасть 9, развернувшаяся перепендикулярно плоскости вращения валов 5, 6, входит в тороидальный цилиндр 17. Наличие в торроидальном цилиндре 17 всегда одной лопасти сглаживает ударное действие потока среды на входящую в цилиндр лопасть, что обеспечивает плавность вращения ротора 2. Концы 21 валов 5, 6, подвижно закрепленные в ободе 22, разгружают изгибающие моменты от действия потока на лопасти в торроидальном цилиндре 17 в месте крепления валов 5 и 6 в подшипниках, известным образом установленных в отверстиях 23, выполненных в стенках барабана 4. Это обеспечивает преобразование энергии высоконапорных сред (пар, газ и другое) в механическую энергии на валу отбора мощности 3.
Образование кинетической энергии потока из механической энергии с помощью заявленного устройства происходит следующим образом. Поток среды засасывается в торроидальный цилиндр 17 лопастью 8 и проталкивает порцию среды от впереди идущей лопасти 10 крутящим моментом от вала отбора мощности 3, обеспечиваемым передачей на него вращательного движения от внешнего привода (на чертежах не показан). Все последующие повороты и движения лопастей осуществляются идентично, как выше описано.
КПД установки по нашим оценкам равен 70%.
Установка конфузора на входе в устройство на потоках с малой плотностью кинетической энергии (стоки рек, морские течения, ветер и др.) увеличивает скорость протока среды в торроидальном цилиндре 17, что в кубической зависимости увеличивает отбор механической энергии свала отбора мощности 3.
Применение устройства в режиме движителя для образования потоков среды позволяет существенно уменьшить установленную мощность их привода, что может составить замену всех типов вентиляторов, центробежных и винтовых насосов, винтовых движителей (гребных винтов) и на их базе водометных движителей, а также устройств для отсоса среды - пылесосы и др.
Шестилопастное устройство (фиг.3 и 4) обеспечивает более плавное вращение ротора в сравнении с четырехлопастным, с меньшей разгонной массой лопасти при повороте из перпендикулярного в параллельное положение.