РОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
ROTARY WINDMILL

Изобретение относится к ветродвигателям с вертикальным валом.
Известен роторный ветродвигатель (В.), состоящий из вертикального вала, жестко связанного с нижним и верхним параллельными дисками с расположенными взаимно перпендикулярно S-образно изогнутыми трубами, средние части которых смещены в осевом направлении (пат. RU №2.317.442).
Его недостатки:
1. Малое количество воздухопроводных каналов определяет слабое взаимодействие В. с ветровым потоком, что уменьшает мощность В..
2. Большая длина каналов увеличивает вес и гидравлическое сопротивление воздушным потокам, уменьшает их скорость, снижает эффективность работы В..
3. Сложная конфигурация труб, смещение их средних частей относительно друг друга в осевом направлении усложняет конструкцию и технологию изготовления В..
4. Части дисков выступающие за лопасти имеют незначительные размеры, лежат в одной плоскости с дисками и малоэффективны в повышении давления перед В. и в уменьшении давления позади В..
Известен роторный спирально-вихревой ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, нижний и верхний параллельные диски, жестко связанные между собой изогнутыми в радиальном направлении лопастями, образующими между собой каналы (ж. «Техника - молодежи» №2 - 2003 г. стр.36-37). Данная конструкция принята за прототип. Ее недостатки:
1. Большой угол между каналами лопастей и прилегающей к ним окружности (цилиндрической поверхности) увеличивает гидравлическое сопротивление воздушным потокам и заходящим в каналы на одной стороне В., и обтекающим расположенные «по шерсти» лопасти на другой стороне В..
2. Большой радиус изгиба внешних частей лопастей определяет слабое силовое воздействие центробежной силы массы воздушного потока на них. При движении потоков по каналам радиус кривизны лопастей уменьшается, но скорость движения непрерывно снижается до нуля в конце канала. После заполнения каналов движение воздуха в них прекращается на некоторое время. Все эти особенности уменьшают силовое воздействие ветра на лопасти на наветренной стороне В..
3. На заветренной стороне В. под воздействием пониженного давления и центробежной силы воздух из каналов выходит, но малая масса, нулевая начальная скорость, большая длина каналов, увеличивающиеся сечение каналов уменьшают скорость выходящих потоков и их силовое воздействие на лопасти. Реактивное воздействие выходящих из каналов воздушных потоков снижается, из-за малой массы и скорости, большого угла между выходящими потоками (концами лопастей) и касательных к окружности выхода.
4. Расстояние между дисками на много больше диаметра ротора, лопасти расположены вблизи вала, обтекающие с двух сторон ротор потоки воздуха ускоряется мало, соответственно, мала их скорость и силовое воздействие. Мала и степень разрежения на заветренной стороне. Все это определяет малый крутящий момент, увеличивает скорость ветра для начала вращения В., уменьшает период использования ветра.
5. Наличие двух опор у вала ротора, большая длина вала и лопастей, сложная кривая изгиба лопастей усложняют конструкцию и технологию изготовления В., увеличивает вес и ухудшают эксплуатацию. Проблематична установка В. на большой высоте.
6. При эксплуатации тупиковые участки каналов подвержены засорению пухом семян, пылью, снегом, что дополнительно снижает эффективность работы В.
Задача изобретения - повышение эффективности работы В. С этой целью, в ветродвигателе, содержащем вертикальный вал, нижний и верхний параллельные диски, жестко связанные между собой изогнутыми в радиальном направлении лопастями, образующими между собой воздушные каналы, лопасти выполнены укороченными, каналы расширяющимися к валу, между дисками образована центральная камера, сообщающаяся со всеми каналами, при этом выступающие за концы лопастей часть дисков выполнена отогнутой наружу и с радиальными надрезами, длина дуги цилиндрической поверхности лопастей равна 90°±3°, введены ступицы, жестко связанные с дисками и валом, высота ступиц равна высоте отогнутой части прилегающего диска, диаметр дисков более чем в 3 раза больше расстояния между дисками.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 - вид сбоку.
На фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1.
Ветродвигатель состоит из вала 1, нижнего и верхнего дисков 2, 3, жестко связанных лопастями 4, между которыми расположены каналы 5, сообщающиеся с центральной камерой 6. Отогнутые части 7, 8 дисков 2, 3 имеют радиальные надрезы 9, 10. Ступицы 11, 12 и отогнутые части 7, 8 имеют равную высоту h.
При наличие ветра передняя наветренная сторона В. находится под повышенным давлением, благодаря наличию отогнутых концов 7, 8 выполняющих роль конфузоров. Ветровой поток передней частью В. разделяется пополам. Одна половина потока, ускоряясь, обтекает концы лопастей 4 расположенные «по шерсти», другая половина потока, ускоряясь в меньшей степени, заходит в окна каналов 5.
Задняя заветренная сторона В. находится под пониженным давлением, дополнительно понижаемым наличием отогнутых концов 7, 8 дисков 2, 3, выполняющих функцию дефлекторов, и воздушного потока, обтекающим «по шерсти» лопасти 4В..
a
а
2
1
При обходе ротора В. усиливающийся ветровой поток плавно, благодаря малому углу между наружными концами лопастей 4 и прилегающей к ним окружности (цилиндрической поверхности радиуса R) заходит в каналы 5, проходя по которым делает поворот на 90°. Путем воздействия массы ветрового потока на вогнутые цилиндрические поверхности радиуса r лопастей 4, осуществляются усилия на лопасти 4. Выход потоков из каналов 5 в камеру 6 происходят с малыми гидравлическими потерями, из-за увеличения сечений каналов 5 (>) и, соответственно, уменьшения скорости выходящих потоков, и из-за смещения боковых сторон каналов 5 (внутренних концов лопастей 4). Войдя в камеру 6, потоки смыкаются, попадают под воздействие пониженного давления заветренной стороны В. и центробежной силы. Происходит плавный, из-за больших размеров камеры 6, поворот общего потока к лопастям 4 и каналам 5 заветренной стороны, вход в каналы 5 с малыми гидравлическими потерями. При движении по сужающимся каналам 5 скорости потоков и плечи (радиусы) их приложения растут, происходит эффективное силовое воздействие выходящих потоков на лопасти 4 заветренной стороны. Выходящие из каналов 5 потоки создают реактивные силы дополнительно увеличивающие силовое воздействие на В..
Усилия потоков на лопасти 4 наветренной и заветренной сторон В. образуют пары сил, создают суммарный крутящий момент, обеспечивающий вращение В. даже при малой скорости ветра.
Наличие отогнутых с радиальными надрезами 9, 10 концов 7, 8 дисков 2, 3 обеспечивает следующие преимущества:
1. На передней наветренной стороне В. отогнутые концы 7, 8 образуют конфузор, усиливающий набегающий ветровой поток на всей передней стороне В., направляя его на обе стороны В..
2. На задней заветренной стороне В. отогнутые концы 7, 8 образуют дефлектор, понижающий давление, это увеличивает скорость потоков в каналах 5 и в камере 6.
3. При малой скорости ветра и малых оборотах В. величина раструба наибольшая, кинетическая энергия ветра снимается с максимальной площади. При увеличении скорости ветра и, соответственно, оборотов В. наличие радиальных надрезов 9, 10 обеспечивает возможность отгиба отогнутых концов 7, 8 дисков 2, 3 под действием центробежной силы. Величина раструба уменьшается, обороты вращения В. увеличиваются медленно. А при определенной скорости ветра и оборотах В. отогнутые концы 7, 8 устанавливаются почти в одной плоскости с дисками 2, 3, величина раструба становится минимальной. Это уменьшает ветровой напор на наветренную сторону, степень разрежения на заветренной стороне и скорости вращения В., что существенно повышает безопасность работы.
Угол между отогнутыми концами 7, 8 β=60°-68°.
Выполнение лопастей 4 укороченными, с длиной дуги цилиндрической поверхности 90°±° позволяет увеличить число лопастей 4 для лучшего использования энергии ветра, расположить внешние концы лопастей 4 под более острым углом к касательной прилегающей окружности радиуса R. Это обеспечивает вход потоков в расширяющиеся каналы 5 с малыми гидравлическими потерями. Короткие лопасти 4 уменьшают массу В., обеспечивают наибольшее силовое воздействие с минимальными фрикционными потерями, разворот воздушных потоков на 90°, выход из каналов 5 с направлением в центральную часть камеры 6, где на большом пространстве камеры 6 под воздействием пониженного давления заветренной стороны и центробежной силы происходит саморазворот сомкнутых потоков к заветренной стороне В..
Изготовление лопастей 4 возможно путем разреза цилиндрической емкости (банки, бочки) на 4 части по образующим, что упрощает изготовление В. в непроизводственных условиях.
Угол α (угол между наружным концом лопасти 4 и касательной к прилегающей к нему окружности радиуса R) равен 14°-15°.
Отношение радиуса R окружности к радиусу цилиндрической поверхности лопастей 4 R:r≈2,5.
Ступицы 11, 12 жестко связаны с валом 1 и с соответствующими дисками 2, 3, обеспечивается надежная передача крутящего момента от лопастей 4 через диски 2, 3 и ступицы 11, 12 на вал 1. Ступицы 11, 12 и отогнутые концы 7, 8 дисков 2, 3 имеют равную высоту h. Это обеспечивает возможность при малой среднегодовой скорости ветра устанавливать на длинный вал 1 несколько роторов путем устранения тонкой стенки в отверстии ступицы 12.
Малая высота В. допускает наличие одной опоры, это упрощает конструкцию и эксплуатацию.
Преимущества В.:
- ветер используется на большей высоте и при малой скорости,
- малый вес,
- большая мощность,
- надежен и долговечен в работе,
- прост по конструкции, технологии изготовления и в эксплуатации.
Автором были изготовлены два В. из одинаковых материалов и с равными габаритами: прототип и опытный. При одинаковом обдуве опытный В. начинал вращаться раньше, имел большие обороты, а после прекращения обдува, по инерции вращался более 120 сек., прототип 70 сек. Диски плоские из оргстекла (без отгибов). Размеры Д×В=205 мм × 50 мм. Для наблюдения за потоками в каналах были установлены нити с грузиками.