Воздушная турбина для волновой энергоустановки

Полезная модель 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/2239578/1/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 (SU 1783140 A1, 23.12.1992, F03B13/24), 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 заявляемой полезной модели.
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 направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении эффективности работы воздушной турбины, использующей энергию осциллирующего водяного столба волновой энергоустановки.
Для достижения названного технического результата в заявляемой 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 и расположена между носиком и центром давления профиля, каждая поворотная лопасть жестко соединена с цапфой, помещенной с возможностью вращения во втулку, закрепленную внутри ступицы, а внутри цапфы и поворотной лопасти выполнено глухое отверстие прямоугольного поперечного сечения, в которое последовательно вставлены пружина и груз прямоугольного поперечного сечения, к торцу груза под прямым углом прикреплен рычаг, свободный конец, которого помещен в отверстие пластины, параллельной оси вращения рабочего колеса, вырезанное в форме равнобедренного треугольника, при этом центр масс каждой поворотной лопасти совпадает с ее осью вращения.
Отличительными признаками предлагаемой воздушной турбины являются:
жесткое соединение каждой поворотной лопасти с цапфой, размещение цапфы с возможностью вращения во втулке, закрепление втулки внутри ступицы,
выполнение внутри цапфы и поворотной лопасти глухого отверстия прямоугольного поперечного сечения,
последовательное размещение в глухом отверстии пружины и груза прямоугольного поперечного сечения,
закрепление рычага на торце груза под прямым углом, размещение свободного конца рычага в отверстии пластины параллельной оси вращения рабочего колеса, вырезанном в форме равнобедренного треугольника,
совпадение центра масс каждой поворотной лопасти с ее осью вращения.
Благодаря наличию этих признаков сокращается время выхода воздушной турбины на максимальные обороты и повышается ее аэродинамическая эффективность за счет установки поворотных лопастей под оптимальными углами атаки.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показан симметричный аэродинамический профиль неповоротной лопасти турбины Уэллса и аэродинамические силы, воздействующие на него.
На фиг. 2 показан симметричный аэродинамический профиль поворотной лопасти и аэродинамические силы, воздействующие на лопасть не вращающейся турбины.
На фиг. 3 - разрез воздушной турбины плоскостью, проходящей через ось вращения поворотной лопасти и перпендикулярной оси вращения рабочего колеса.
На фиг. 4 - разрез воздушной турбины плоскостью, проходящей через ее ось вращения и ось вращения поворотной лопасти.
На фиг. 5 - разрез воздушной турбины плоскостью, перпендикулярной оси вращения поворотной лопасти.
опт
Воздушная турбина для волновой энергоустановки содержит ступицу 1, втулку 2, поворотную лопасть 3, цапфу 4, груз 5, пружину 6, рычаг 7, пластину 8 с отверстием в форме равнобедренного треугольника, α - угол атаки, α - оптимальный угол атаки соответствующей максимальной величине аэродинамического качества, С - центр аэродинамического давления, N - подъемная сила, О - ось вращения поворотной лопасти, Т - сила лобового сопротивления, U - окружная скорость, V - скорость осевого потока.
Предлагаемая воздушная турбина работает следующим образом.
В начальном положении при неподвижном рабочем колесе турбины развитие волнения вызывает в ее проточном тракте появление переменного по направлению воздушного потока. Поскольку центр аэродинамического давления «С» потока на поворотную лопасть 3, которая жестко соединена с цапфой 4, помещенной с возможностью вращения во втулку 2, закрепленную внутри ступицы 1, смещен относительно оси вращения «О» лопасти 3 в сторону ее задней кромки, лопасть 3 под действием потока поворачивается, как показано на фиг. 2, до упора рычага 7 в ребро пластины 8. При этом груз 5 под действием пружины 6 максимально приближен к оси вращения рабочего колеса.
Установка поворотной лопасти 3 под некоторым углом атаки «α» по отношению к направлению осевого потока вызывает появление на поворотной лопасти 3 подъемной силы «N» и силы лобового сопротивления «Т», под действием которой рабочее колесо турбины начинает ускоренное вращение. При смене направления осевого потока поворотная лопасть 3 поворачивается вокруг своей оси вращения «О» и занимает зеркальное положение, при этом направление подъемной силы «N» сохраняется.