Крыльчатый двигатель
VANE ENGINE

Изобретение относится к области энергетики, а именно к устройству для преобразования энергии, а более конкретно к устройству, способному преобразовывать энергию текучей среды в электроэнергию.
Существуют различные типы преобразователей энергии скоростного потока однофазной текучей среды (воды, ветра). Это водяные колеса, гидравлические турбины, ветряные установки пропеллерного типа, у которых турбинные колеса различной конфигурации или отдельные лопасти вращаются вместе с валом, кинематически связанным с преобразователем механической энергии вращения в другие виды энергии (электрическим генератором, насосом и т.п.).
Известна ветровая турбина с вертикальной осью (VAWT), (заявка WO2019023005 (A1), 2019-01-31, F03D3/00; F03D80/70), которая включает в себя вертикальную башню, имеющую вертикальную ось башни, генератор, причем генератор включает в себя предохранительный расцепитель, расположенный для включения режима свободного вращения, когда выходная мощность генератора достигает порогового значения, множество подшипников, расположенных концентрически относительно вертикальной оси башни и расположенных вдоль вертикальной башни, и ротор, имеющий множество рычагов ротора и множество вертикальных лопастей ротора, где проксимальный конец каждого рычага ротора радиально соединен с подшипником где дистальный конец каждой лопасти соединен с плечами ротора.
К недостаткам известного технического решения относится следующее: отсутствие боковых поверхностей вращающегося цилиндра, что не дает возможности организовать поток рабочего тела с боков вращающегося цилиндра как насоса; отсутствие механизма управления углов атаки лопастей по циклу вращения с целью оптимизации отбора мощности от протекающей среды.
Известен Роторно-крыльчатый двигатель для конвекционных воздушных и жидкостных потоков, (патент РФ 2300011, МПК F03D3/00, оп. 2007.05.27), содержащий крылья, выполненные из профилированных лопастей, соединенных через наконечник со ступицей, вращающийся вал, на котором укреплена ступица, причем крылья смещены относительно друг друга, отличающийся тем, что крылья расположены параллельно друг другу относительно оси вертикального вращающегося вала и смещены относительно друг друга вдоль размаха крыльев так, что наконечник крыла расположен на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала на большем, чем расстояние от наконечника крыла до максимального горизонтального поперечного сечения аэродинамического профиля лопасти, а лопасти, имеющие вдоль и поперек вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала, изогнуты вдоль и поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой и направлены отогнутыми вдоль размаха крыльев концами в противоположные стороны относительно оси вертикального вращающегося вала, при этом чем более удален аэродинамический профиль вдоль размаха крыла от оси вертикального вращающегося вала, тем больше угол наклона аэродинамического профиля к плоскости вращения.
К недостаткам известного технического решения относится следующее:
1. Профиль лопасти сложной конфигурации, вместо простого симметричного профиля нашего устройства.
2. Отсутствует механизм управления углов атаки лопастей.
Известно Устройство для производства электроэнергии с использованием энергии ветра (патент 2463476, МПК F03D 3/00, оп. 10.10.2012), включающее в себя лопастное устройство, которое может вращаться относительно основания для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения и имеет вертикальную ось, соединенную с вертикальными пластинами и соединенную с генератором в основании для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию. Каждая лопасть имеет находящиеся на расстоянии ребра для улавливания ветра, продолжающиеся вертикально от первой боковой поверхности, образуя пространство для улавливания ветра между двумя любыми смежными ребрами для улавливания ветра. Узел улавливания ветра включает в себя вертикальные пластины, смонтированные на основании и равномерно расположенные под углом, и помещенные вокруг лопастного устройства. Любые две смежные пластины образуют между собой сужающийся во внутреннем направлении канал для направления ветра. Пластины не являются плоскими, так что ветер, который направляется пластинами, обдувает первые боковые поверхности лопастей через каналы для направления ветра. К недостаткам известного технического решения относится следующее:
1. Устройство использует узел для предварительного формирования потока текучей среды как входной направляющий аппарат, который необходимо ориентировать по направлению потока.
2. Отсутствует механизм управления углов атаки лопастей по циклу вращения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является крыльчатый движитель цилиндрического вида (патент РФ №2720699 от 09.04.2019, МПК В64С 29/00, оп. 12.05.2020). содержащий вращающийся на валу ротор цилиндрического вида, поверхность которого образуют крылообразные лопасти, расположенные на равных угловых расстояниях, с вращением вокруг оси цилиндра и качанием вокруг собственных осей, при этом каждая лопасть обеспечена тягой привода ее качания, шарнирно закрепленный к лопасти, состоит из торсионов, соединенных с торцевыми дисками для вращения и передачи крутящего момента, имеющих радиальные спицы, жестко закрепленные одним концом на торсионе, соединенные другим концом с осями, на которых шарнирно качаются лопасти, механизм изменения циклических углов, выполненный в виде радиально подвижного эксцентрика, вокруг которого вращается узел с шарнирно закрепленными тягами привода качания лопастей, синусного механизма, управляющего отклонением закрылка относительно лопасти, являющегося исполнительным механизмом устройства, управляющего геометрией, конфигурацией взаимного расположения профилей лопастей и закрылков, расположенным на торцевых сторонах лопастей и на ободе торцевого диска, состоящего из кулисы, установленной одним концом на ободе торцевого диска, другим концом подвижно соединенной с ползуном, жестко соединенным с закрылком, имеющим возможность вращения на оси лопасти, при этом лопасти и закрылки сбалансированы элементами относительно собственных осей вращения.
Недостатком прототипа является
1. Отсутствие возможности использования кинетической энергии поступательного движения таких конвекционных потоков, как жидкостные.
2. Сложно сочлененная лопасть со щелевым закрылком вместо простого симметричного профиля.
3. Механизм управления приводится в действие механически, а не автоматически как в предлагаемом устройстве.
Задача изобретения направлена на создание устройства, способного преобразовать кинетическую энергию текучей среды в механическую энергию вращения, далее преобразованную в электрическую энергию электрогенератором.
Технический результат от применения изобретения заключается в повышении эффективности устройства за счет преобразования кинетической энергии поступательных движений конвекционных воздушных и жидкостных потоков (вертикальные восходящие или нисходящие воздушные, жидкостные потоки при отсутствии горизонтальных потоков, горизонтальные воздушные, жидкостные потоки при отсутствии вертикальных потоков, одновременно существующие горизонтальные и вертикальные потоки, воздушные или жидкостные), в кинетическую энергию вращательного движения вала, при этом ориентируя ось вращения ротора перпендикулярно набегающему потоку.
Это достигается за счет того, что в крыльчатом двигателе цилиндрического вида, представляющем собой вращающийся с валом цилиндр, поверхность которого образуют крылообразные лопасти, расположенные на равных угловых расстояниях, с возможностью вращения вокруг оси цилиндра и качанием вокруг собственных осей, содержащем механизм изменения циклических углов, тягу привода качания лопасти, шарнирно закрепленную к ней, согласно изобретению, механизм изменения циклических углов, выполнен в виде кольца, имеющего свободу перемещения в плоскости, перпендикулярной валу, к которому шарнирно закреплены тяги привода качания лопастей, при этом длина тяг, внутренний диаметр кольца и диаметр вала в месте опоры кольца ограничивают углы отклонения лопастей, выполняя при этом функцию синусного механизма, управляющего отклонением совокупности лопастей.
Отличительной особенностью заявляемого технического устройства является то, что оно представляет собой конструкцию крыльчатого двигателя, функционально работающего как преобразователь энергии текучей среды.
Изобретение иллюстрируется рисунками.
На Фиг. 1. представлен крыльчатый двигатель, общий вид.
На Фиг. 2 - то же, модуль из двух собранных крыльчатых двигателей.
Позиции обозначают: вал 1; обод 2; лопасть 3; кольцо 4 механизма управления; тяга 5 механизма управления; ось качания 6 лопасти 3: направление потока текучей среды 7; радиус 8; ступица 9; спица 10; крыльчатый двигатель 11; ротор 12 генератора; статор 13 генератора.
Устройство состоит из вала 1 ротора 12, на котором неподвижно закреплены два торцевых диска, состоящих из обода 2, ступицы 9 и спиц 10. Между дисками на радиусе 8 от оси ротора установлены оси качания 6 лопастей 3 аэрогидродинамического профиля. Устройство управления является эксцентриковым механизмом, который состоит из свободного кольца 4, вала 1 и тяг 5, подвижно закрепленных к кольцу 4 и лопасти 3. Размером тяг 5 и внутреннего диаметра кольца 4 задаются углы установки лопастей 3 к набегающему потоку 7 по циклу вращения ротора.
Устройство работает следующим образом. Крыльчатый двигатель размещают в потоке среды, фиксируя его таким образом, чтобы ось вращения была перпендикулярна направлению набегающего потока, а рабочие лопатки располагались поперек потока с произвольным углом атаки.
При натекании потока текучей среды 7 с любой стороны, но перпендикулярно оси 6 лопасти, лопасть 3 стремится, повернувшись на оси 6, встать по потоку. Но т.к. она ограничена тягой 5 к кольцу 4 механизма управления и ограничена диаметром вала 1, устанавливается на угол атаки, оптимальный для положения лопасти 3 на цикле вращения по окружности радиусом 8, создавая на валу момент силы, дающий мощность, которая снимается с вала и передается на ротор электрогенератора.
Модуль может быть собран из двух крыльчатых двигателей (Фиг. 2). Каждый следующий модуль вращается в обратном направлении от предыдущего модуля. Оба модуля, передавая вращение на статор и ротор генератора, увеличивают в два раза скорость вращения генератора.