УСТРОЙСТВО РОТОРА-ЦИЛИНДРА В ВЕТРОУСТАНОВКЕ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА МАГНУСА

Область применения
Полезная модель используется в ветроэнергетике, а именно при конструировании ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса, и относится к вспомогательным устройствам, предназначенным для усиления эффекта Магнуса.
Уровень техники
Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов-цилиндров Магнуса // пат. СССР 10198, F03D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F03В 5/00, F30D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F03D 5/00, 1984; a.c. 1677366, F03D 1/02, СССР, 1991 и др.). Основные недостатки этих ВЭУ - достаточно сложные приводы для вращения роторов-цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде.
Известно устройство по патенту GB 248471 от 05.12.1924. Недостатком данного устройства следует считать отсутствие указаний на тип привода роторов-цилиндров от мотора, который выполнен по низкоэффективной червячной передаче крутящего момента, через полую громоздкую станину на конический редуктор. Такой принцип привода роторов-цилиндров приводит к возникновению обратной реакции ветроколеса, которая будет стремиться некоторое время, особенно на начальном этапе раскрутки, следовать за основным валом установки. Эта же сила будет присутствовать постоянно как вредная, забирающая часть энергии раскрутки на себя. При этом в устройстве не указаны принципы отбора крутящего момента.
Известно устройство по патенту DE 3800070 A1 от 13.07.1989. Недостатком данного типа установки, работающей на принципе раскрутки роторов-цилиндров от встроенного спирального ускорителя, поток которого высвобождается через выпускные окна на концах роторов-цилиндров, следует считать то обстоятельство, что мощность установки такого типа будет достаточно низкой, т.к. раскрутка роторов-цилиндров от энергии ветра малоэффективна.
Известно устройство по патенту UA 63018 C2 от 15.01.2004. Недостатком является то, что для раскрутки роторов-цилиндров ветроколеса промышленного типа, когда необходимо
достижение большого крутящего момента, данное устройство не эффективно, т.к. во-первых, автоматически возрастает громоздкость подобных конструкций при увеличении размеров ветроустановки, во-вторых, возникает вредная парусность, которая недопустима при шквалистых ветрах. Такие установки при ураганных ветрах становятся огромным парусом и их конструкция может не выдержать напора воздуха. Кроме того, значительное усложнение конструкции приведет к повышению материалоемкости и цене всей установки. Чем больше деталей в конструкции, тем больше ее сложность и вероятность отказов. Установки такого типа пригодны только в качестве маломощных ветрогенераторов.
Известно устройство по патенту DE 3501807 A1 от 24.07.1986. Недостатком данного типа устройства является то, что сам способ раскрутки роторов-цилиндров в плане работоспособности находится под большим сомнением, т.к. есть некоторые противоречия в использовании эффекта Магнуса в данной конструкции.
Известно устройство по патенту AU 573400. Недостатком данного типа устройства следует считать то, что привод раскрутки роторов-цилиндров приводит во вращение и саму установку. У установки нет силовых элементов, предотвращающих вибрацию роторов-цилиндров. Приведены некоторые варианты раскрутки роторов-цилиндров, однако не предложена конкретная схема.
К близкому аналогу следует отнести устройство по патенту US 4366386 от 28.12.1982.
Недостатком данного типа устройства является максимальное усложнение конструкции при помощи огромного количества дифференциалов и систем шестеренок. В заявляемом устройстве этот момент обойден одним простым решением: электропривод роторов-цилиндров установлен непосредственно на редукторе самих роторов-цилиндров, максимально быстро и без потери энергии передавая крутящий момент.
2
К недостаткам всех вышеупомянутых аналогов следует отнести тот факт, что ни один из авторов данных патентов не выразил основную теоретическую сущность эффекта Магнуса, а именно то, что в его принципе скрыта очень неприметная деталь: взаимосвязь (по закону Бернулли) между статическим и динамическим давлениями на поверхности роторов-цилиндров. С помощью скоростного напора (ρv/2) в заявляемом способе происходит управление изменением «оболочки» - давления воздуха на ротор, то есть статической структуры.
Технический результат
В заявляемой полезной модели достигается усиления эффекта Магнуса.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано общее конструктивное устройство ветроколеса (вид спереди);
На Фиг.2 показано конструктивное устройство и расположение и форма неподвижных лопастей (вид сбоку), а также принцип действия набегающего потока на конструкции ветроколеса, где 1 - основной вал ветроколеса установки, 2 - вал ротора, 3 - обтекатель ветроустановки, 4 - ротор-цилиндр, 5 - пластина для закрепления неподвижных лопастей и рассекателя потока, 6 - лопасть переднего рассекателя потока, 7 - лопасть уплотнителя потока, 8 - реактивная лопасть, 9 - лопасть торможения набегающего потока, 10 - аэродинамическое кольцо или кольцо, состоящее из частей его окружности, соединенное между участками дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами (аэродинамический антивибратор), 12 - щели в лопастях.
На Фиг.3 показана условная струйка, объясняющая принцип распределения скорости и давления воздуха в зависимости от входного и выходного сечения струи.
На Фиг.4 показан принцип образования воздушных потоков при работе установки только с способом усиления эффекта Магнуса за счет выемок на роторах-цилиндрах.
На Фиг.5 показаны возможные варианты выполнения выемок в каждом роторе-цилиндре.
Сущность устройства
Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве ротора-цилиндра в ветроустановке на основе эффекта Магнуса, содержащем ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов-цилиндров, приводы для вращения роторов-цилиндров и электрогенератора, электродвигатель привода роторов-цилиндров, дополнительно установлены вдоль каждого ротора-цилиндра лопасть переднего рассекателя потока и/или лопасть уплотнителя потока, и/или реактивная лопасть, и/или лопасть торможения набегающего потока, выполненные по отношению к самому ротору-цилиндру неподвижными и/или по длине окружности цилиндра вдоль высоты каждого ротора-цилиндра выполнены выемки в количестве не менее 8.
Неподвижные лопасти могут быть закреплены с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроустановки.
Концевые части лопастей могут быть закреплены и зафиксированы в посадочных ложементах между двумя пластинами.
В уплотнителе потока и/или реактивной лопасти, и/или лопасти торможения набегающего потока выполнены специальные щели с возможностью всасывания дополнительной порции воздуха, либо предотвращения более раннего возникновения зоны срыва потока воздуха.
Выемки выполнены имеющими параболическую форму.
Основным элементом ветроустановки, работающей на основе эффекта Магнуса, является ротор-цилиндр (4) сложной формы (см. Фиг.1, 2).
Каждый ротор-цилиндр (4) крепится на оси вращения (2), исходящей от редуктора с шестернями конического типа. Само крепление роторов-цилиндров к осям вращения, как и многая доля компонующих деталей и механизмов не является предметом защиты настоящего устройства и на чертежах не показана.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным ротором-цилиндром, дает крутящий момент на порядок больший, чем лопасть обычного винта ветроустановки. Более того, изменение формы поверхности крутящегося ротора-цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Это объясняется физическими законами уравнений неразрывности струйки воздушного потока (см. Фиг.3) (постоянства расхода воздуха) - уравнением аэродинамики, вытекающем из основных законов физики (сохранение массы и энергии) и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.
При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (см. Фиг.3).
В струйке переменного сечения, через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха. Этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.
1
2
1
1
1
2
2
2
Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность воздушного потока струйки ρ. Согласно закона сохранения энергии, масса воздушного потока m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе m2 данного потока, протекающего через сечение F2, при условии, если воздушный поток установившийся: то есть: m=m=const, m*F*V=m*F*V=const.
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
Это уравнение называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки. Так как мы рассматриваем несжимаемый воздушный поток, где плотность струи ρ, сечения F, равна плотности струи ρ, сечения F, то есть ρ=ρ=const, то уравнение можно записать в следующем виде: F*V=F*V=const
Теперь обратимся к принципу обтекания ротора-цилиндра. Если прочертить цилиндр в двух проекциях: при виде его в плане «по длине» и с торца, то получим следующую математическую картину.
Согласно вышесказанному (см. Фиг.3, Фиг.4) видно, что мощность ветроустановок на основе эффекта Магнуса зависит не только от диаметра ветроколеса, но и зависит от диаметра самого ротора-цилиндра.
Динамика изменения статического давления и скоростного напора показывает, что статическое давление на половине ротора-цилиндра, с разгоном скоростного потока, падая
примерно в 20 раз, изменяет свое значение по сложной кривой. Она соразмерна тенденции изменения кривизны, образующей ротор-цилиндр. При этом, динамическое давление изменяется примерно в 400 раз. Такая картина изменения давления имеет сложность вычисления еще и потому, что угол встречи скоростного потока с ламинарным слоем все время меняется. При этом, круговой вектор ламинарного потока, касаясь по нормали к рассматриваемой точке, все время изменяет угол по отношению к вектору скоростного потока, до вершины ускорения динамики. До вершины он уменьшается, а затем, перевалив ее, увеличивается. Но здесь тенденция скоростного потока изменяется не потому же закону, как до достижения своего максимального значения (см. Фиг.4, от зоны р1-р2, до зоны р3-р4 и далее, к зоне р8-р9-р10).
В аэродинамике обычного воздушного винта доказано, что скоростной напор получает свое максимальное значение на удалении от воздушного винта не менее, чем на 1/2 его диаметра. И лишь потом возникает обратная реакция потока. Появляется сила тяги. С обратной стороны полуротора величина изменения статики и динамики следующая. Набегающий поток тормозится вращающимся навстречу ламинарным потоком. Вычислить теоретически величину торможения и саму зону (см. Фиг.3, зона р1-р7-р6-р12-р11-р10) невозможно. Необходима продувка в аэродинамической трубе. Однако, основываясь на теории аэродинамики, можно с уверенностью предположить, что величина статического и динамического давления на ротор будет значительно выше при изменении формы поверхности ротора с гладкой на многогранную, а особенно в том случае, когда форма граней нелинейная.
Как вывод, на общий крутящий момент, создаваемый ротором-цилиндром, влияет не только скорость набегающего потока и размах ветроколеса, но и диаметр отдельно взятого ротора-цилиндра. Не меньшее значение имеет его продольная форма и форма сечения.
Важным фактором также является и скорость вращения ротора-цилиндра.
При нелинейной форме граней скорость вращения ротора должна быть не менее скорости набегающего потока ветра, т.к. появляется эффект торможения потока за счет завихрения пограничного слоя. Скорость вращения ротора может регулироваться автоматически, путем снятия показаний датчика скорости ветра.
Достижение заявляемого технического результата производится за счет того, что применяют дополнительные профилированные плоскости вдоль каждого ротора-цилиндра, которые по отношению к самим роторам неподвижны.
Схема совмещения вращающегося ротора-цилиндра (4) с неподвижными лопастями (6, 7, 8, 9), которые прикреплены с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя (3) ветроустановки показана на Фиг.1 и 2.
Концевые части этих лопастей (6, 7, 8, 9) прикреплены и зафиксированы в посадочных ложементах между двумя пластинами (5). На пластинах (5) по ходу движения встречного потока могут быть закреплены, соответственно: передний рассекатель потока (6), уплотнитель потока со стороны ускорения потока (7), служащий для расширения зоны охвата набегающего потока, его упорядочения и ускорения до очень значительных величин, а за уплотнителем потока может быть установлена реактивная лопасть (8), которая служит для создания дополнительной силы вращения всего ветроколеса. Дополнительно со стороны зоны торможения ротора может быть установлена лопасть торможения (9) набегающего потока, служащая для усиления торможения набегающего потока, расширения самой зоны турбулентности, так и для создания дополнительной силы вращения ветроколеса.
Все лопасти (7, 8, 9), за исключением переднего рассекателя (6), могут быть выполнены со специальными щелями (12) (см. Фиг.2), которые способствуют либо всасыванию дополнительной порции воздуха, либо предотвращения более раннего возникновения зоны срыва потока.
Каждая из лопастей (6, 7, 8, 9) может использоваться по отдельности, так и все лопасти одновременно. В последнем случае усиление эффекта Магнуса становится максимальным. Лопасти могут в некоторых случаях крепиться непосредственно к аэродинамическому кольцу, при этом упрощается и сама конструкция ветроколеса, а комлевые части лопасти могут крепиться непосредственно к вращающейся части обтекателя.
Таким образом, схема обтекания вращающегося ротора находит законченный вид максимально возможного использования кинетической энергии набегающего потока. Пределы использования воздушного потока в сторону малых значений резко расширяются, т.е. для малых ветряных зон, где скорость ветра не превышает 2-3 м/с, установки, с использованием заявляемого устройства, становятся наиболее эффективны, в сравнении с ветроустановками классического типа.
А при скорости ветра порядка 10 м/с и более на раскрутку роторов-цилиндров потребление собственной энергии резко снижается, а КПД установки повышается.
Кроме того, с использованием заявляемого устройства становится возможным создавать малогабаритные ветроустановки больших мощностей.
Усиление эффекта Магнуса дополнительно может быть обеспечено путем изменения формы вращающегося ротора-цилиндра.
Длина ротора находится в квадратной зависимости от диаметра всего ветроколеса. Тем не менее, можно получить еще одну зависимую величину, влияющую на общую мощность, которая присуща только активному методу обработки воздушного потока: зависимость
мощности не только от размаха всего ветроколеса, но и от диаметра отдельно взятого ротора-цилиндра, а также от его формы. Объясняется это следующим образом (см. Фиг.4).
2
При вращении ротора-цилиндра вязкий воздух «прилипает» к поверхности ротора-цилиндра и прилегающие слои воздуха циркулируют вместе с вращающейся поверхностью ротора-цилиндра. Чем дальше от ротора-цилиндра отстоит набегающая масса воздуха, тем меньшую зависимость она имеет от вращающегося ротора-цилиндра. При этом поток начинает приобретать упорядоченную форму обтекания ротора-цилиндра, и его скоростные характеристики повышаются, т.е. скорость набегающего потока складывается со скоростью частиц воздуха непосредственно прилегающих к поверхности ротора-цилиндра. В итоге получается пограничный слой воздуха (смотри Фиг.4). Скорость воздуха внизу ротора-цилиндра меньше (здесь V набегающего потока вычитается при торможении ее пограничным слоем ротора-цилиндра), а значит давление повышается.
С обратной стороны скорость потока и ротора-цилиндра складывается, а это значит, что скорость повышается, что ведет к понижению давления. Из-за разности давлений возникает результирующая сила давления на ротор-цилиндр, который будет перемещаться в сторону меньшего давления, т.е. (в нашем случае) вверх.
Исходя из вышеизложенного, если по длине окружности цилиндра вдоль высоты ротора-цилиндра будут образованы выемки, то будет обеспечен эффект усиления вращения ротора-цилиндра, будет обеспечен эффект как ускорения, так и торможения потока вокруг ротора-цилиндра, а изменение величины диаметра взаимосвязано с объяснением характеристик параметров согласно закону сохранения массы в условной струйке. Таким образом, заявляемый результат по усилению эффекта Магнуса также может быть реализован путем использования ротора-цилиндра, содержащего по всему периметру окружности вдоль всей его длины выемки, как показано на Фиг.4.
Размеры и форма выемок не принципиальны, но предпочтительно, чтобы выемки имели параболическую форму. Количество расположенных выемок по длине окружности цилиндра зависит от значения скорости встречного потока ветра и может варьироваться от 8 и более, как показано на Фиг.5.
Величина суммарного крутящего момента при использовании эффекта Магнуса в совокупности с неподвижными лопастями может быть выражена следующим образом: ΣМкр=Мкр.м.+Мкр.л.,
где Мкр.м. - величина крутящего момента, создаваемого чисто по эффекту Магнуса,
Мкр.л. - величина крутящего момента, создаваемого с помощью лопастей.
В свою очередь, сила, создаваемая только площадью реактивной лопасти определяется по формуле:
, где
y
С - аэродинамический коэффициент;  - скоростной напор, S - площадь лопасти, из которой ясно, что основная составляющая этой силы - это (в нашем случае) величина скоростного напора, где скорости потока могут достигать сотен м/с, что выше штормовых значений.
Величина силы, создаваемая лопастью сжимающего потока, определяется экспериментальным путем, т.к. величина скоростного напора имеет сложный характер образования и поведения между самой лопастью и вращающимся ротором-цилиндром. Кроме того, сама лопасть находится в режиме вращения, а это значит, что угол атаки набегающего потока имеет сложный характер.
Принцип работы устройства
Принцип работы устройства в энергоустановке, основанной на использовании эффекта Магнуса заключается в следующем.
При включении электродвигателя (на чертежах не показан) его вращение передается на основной конический редуктор ротора-цилиндра (4) или на ведомые шестерни приводов вала (2) ротора. Ведущая шестерня приводит во вращение ведомые шестерни с валами (2) роторов-цилиндров. При раскрутке роторов-цилиндров возникает эффект Магнуса.
Принципиально сам эффект заключается в том, что при обтекании вращающегося ротора-цилиндра (4) возникает разность давлений (если смотреть на схему) над и под ротором-цилиндром. Это обусловлено тем, что набегающий поток, совпадающий с направлением вращения ротора-цилиндра, накладывается на ламинарный слой воздуха на самом роторе-цилиндре. При этом скорость потока и скорость вращения ротора-цилиндра складываются, то есть общая скорость обтекания ротора-цилиндра увеличивается. С обратной стороны картина обратная.
В результате этого возникает сила, направленная вверх, т.е. в область меньшего давления. Это, в свою очередь, приводит во вращение ветроколесо.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным ротором-цилиндром, дает крутящий момент на порядок больший, чем лопасть обычного винта. Более того, изменение формы поверхности крутящегося ротора-цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.