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/l/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 воздушная турбина волновой энергетической установки (ПМ РФ №209107, опубл. 01.02.2022, Бюл. №4), в которой возможно использование переменного по направлению потока, содержащая 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.
Данная турбина по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Недостатки прототипа заключаются в том, что максимально возможный радиус центра масс груза, осуществляющего регулировку угла установки поворотной лопасти относительно потока воздуха, ограничен осевым размером сжатой пружины, что снижает при прочих равных условиях величину центробежной силы пропорциональной радиусу центра масс груза, необходимой как для сжатия пружины, так и для преодоления сил трения в механизме. Кроме того, габариты пластины с треугольным отверстием, в которое помещен рычаг, закрепленный на торце груза, чрезмерно завышены, что затрудняет компоновку деталей механизма внутри ступицы, особенно при большом количестве поворотных лопастей.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении эффективности работы воздушной турбины, использующей энергию осциллирующего водяного столба волновой энергоустановки за счет снижения габаритов механизма регулирования узлов установки поворотных лопастей и, как следствие, снижения габаритов ступицы и турбины в целом, а также за счет повышения точности установки поворотных лопастей относительно направления воздушного потока.
Для достижения указанного технического результата в 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, центр масс каждой поворотной лопасти совпадает с ее осью вращения, 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 вставлен груз прямоугольного поперечного сечения, к торцу груза под прямым углом прикреплен рычаг, внутри цапфы выполнено цилиндрическое отверстие, открытое со стороны оси вращения рабочего колеса, внутрь отверстия вставлена пружина один конец которой уперт в дно отверстия, а второй конец прижат к шайбе, закрепленной на торце груза, рычаг помещен между ребрами кондуктора, выполненного в форме цилиндрической поверхности, надетой на втулку, ребра кондуктора, имеющие форму спиралей, симметричных относительно плоскости, проходящей через ось вращения поворотной лопасти и перпендикулярной оси вращения рабочего колеса, сближаются по мере удаления от его оси.
Отличительными признаками предлагаемой воздушной турбины являются:
- выполнение внутри цапфы цилиндрического отверстия, открытого со стороны оси вращения рабочего колеса,
- размещение пружины внутри отверстия, один конец которой уперт в дно отверстия, а второй конец прижат к шайбе, закрепленной на торце груза,
- размещение рычага между ребрами кондуктора, имеющими форму спиралей симметричных относительно плоскости, проходящей через ось вращения поворотной лопасти и перпендикулярной оси вращения рабочего колеса, сближаются по мере удалении от его оси.
Благодаря наличию этих признаков отличных от прототипа, возможно, уменьшить габариты механизма регулирования установки угла атаки поворотной лопасти и повысить точность его работы.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показано положение поворотной лопасти и аэродинамические силы, воздействующие на нее для стоящей турбины.
На фиг. 2 - положение поворотной лопасти при максимальных оборотах турбины.
На фиг. 3 - разрез воздушной турбины плоскостью, проходящей через ось вращения поворотной лопасти и перпендикулярной оси вращения рабочего колеса.
На фиг. 4 - вид кондуктора, совмещенный с разрезом 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.
кр
опт
Воздушная турбина для волновой энергоустановки содержит рабочее колесо, состоящее из ступицы 1, втулки 2, поворотной лопасти 3, цапфы 4, груза 5, пружины 6, рычага 7, кондуктора 8 и шайбы 9. α - критический угол атаки, α - оптимальный угол атаки, соответствующей максимальной величине аэродинамического качества. С - центр аэродинамического давления. N - подъемная сила. О - ось вращения поворотной лопасти 3. Т - сила лобового сопротивления. U -окружная скорость. V - скорость осевого потока.
Предлагаемая воздушная турбина работает следующим образом.
В начальном положении при неподвижном рабочем колесе воздушной турбины развитие волнения в акватории вызывает в ее проточном тракте появление переменного по направлению воздушного потока.
кр
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, поворотная лопасть 3 под действием потока поворачивается, как показано на фиг. 1 до упора рычага 7 в ребро кондуктора 8. При этом груз 5 под действием пружины 6 максимально приближен к оси вращения рабочего колеса и поворотная лопасть 3 устанавливается под углом атаки меньшим α.
Установка поворотной лопасти 3 под некоторым углом атаки 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 проекции подъемной силы «N» на плоскость, перпендикулярную оси вращения рабочего колеса, сохраняется.
опт
По мере увеличения скорости вращения рабочего колеса груз 5, под действием центробежной силы, начинает удаляться от оси вращения рабочего колеса, сжимая пружину 6, упертую в шайбу 9. При этом угол поворота лопасти 3 уменьшается, так как ребра кондуктора 8, в которые упирается рычаг 7, сближаются по мере удаления от оси вращения турбины. Угол между касательными к ребрам кондуктора 8 и жесткость пружины 6 выбираются таким образом, чтобы при расчетной скорости осевого потока «V» и окружной осредненной скорости «U» угол атаки поворотной лопасти 3 был оптимальным α.
опт
По достижении окружной скорости «U» величины, при которой V/U=tgα, плоскость симметрии аэродинамического профиля поворотной лопасти 3 занимает положение, перпендикулярное оси вращения рабочего колеса турбины. Совмещение центра масс поворотной лопасти 3 с ее осью вращения «О» обеспечивает поворот лопасти 3 при минимальных значениях скорости осевого потока «V».
Размещение пружины 6 в цилиндрическом отверстии цапфы 4 позволяет при том же сечении груза 5 увеличить расстояние центра масс груза 5 от оси вращения рабочего колеса и, соответственно, повысить величину центробежной силы, пропорциональной радиусу центра масс. Это позволяет снизить долю усилий необходимых для преодоления сил трения груза 5 о стенки отверстия в поворотной лопасти 3 и сил трения рычага 7 о ребра кондуктора 8 и увеличить долю усилия направленную на сжатие пружины 6. Придание кондуктору 8 формы цилиндрической поверхности минимизирует габариты ступицы 1 и турбины в целом, что позволяет снизить величину лобового сопротивления рабочего колеса.
Воздушная турбина для волновой энергоустановки предлагаемой конструкции наиболее эффективна при малом удлинении поворотных лопастей 3.