Вихревой ветродвигатель

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к вихревым двигателям, преобразующим кинетическую энергию ураганоподобного вихря в механическую. Технический результат, заключающийся в увеличении мощности на валу ветродвигателя за счет использования энергии ураганоподобного вихря, достигается за счет того, что в вихревом ветродвигателе, содержащем статор-завихритель с, по меньшей мере, одним конфузорным каналом, ротор с профилированными лопатками на валу и дополнительный источник восходящих потоков нагретого воздуха, согласно изобретению, в статоре-завихрителе размещена зона формирования воздушного вихря, боковая поверхность которой образована концевыми сечениями конфузорных каналов, а нижнее и верхнее основания - опорными кольцами, имеющими сквозные отверстия, причем сам статор-завихритель установлен на опорной конструкции над поверхностью земли в потоке воздуха, имеющем скорость большую, чем у ее поверхности. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к вихревым двигателям, преобразующим кинетическую энергию ураганоподобного вихря в механическую или электрическую энергию.

Известен вихревой ветродвигатель, содержащий статор-завихритель с, по меньшей мере, одним конфузорным каналом, ротор с профилированными лопатками на валу и дополнительный источник восходящих потоков нагретого воздуха (см. SU, 1539382 А1, кл. F 03 D 3/04, 30.01.1990), по совокупности существенных признаков изобретения, принятый за ближайший аналог (прототип).

Известный вихревой ветродвигатель обладает низким КПД из-за большой потери энергии во входных каналах ввиду их большой длины при малом поперечном размере, а из-за отсутствия отверстия внизу башни не создаются интенсивные осевые потоки, приводящие к увеличению углового момента, воздействующего на ротор, также отсутствуют рекомендации по оптимальному углу ввода струй в область слияния относительно ее радиуса и нет оптимальных соотношений высоты и диаметра области слияния, что снижает надежность и эффективность двигателя.

Технический результат, заключающийся в увеличении мощности на валу ветродвигателя за счет использования энергии ураганоподобного вихря, достигается за счет того, что в вихревом ветродвигателе, содержащем статор-завихритель с, по меньшей мере, одним конфузорным каналом, ротор с профилированными лопатками на валу и дополнительный источник восходящих потоков нагретого воздуха, согласно изобретению, в статоре-завихрителе размещена зона формирования воздушного вихря, боковая поверхность которой образована концевыми сечениями конфузорных каналов, а нижнее и верхнее основания - опорными кольцами, имеющими сквозные отверстия, причем сам статор-завихритель установлен на опорной конструкции над поверхностью земли в потоке воздуха, имеющем скорость большую, чем у ее поверхности, причем вертикальные стенки конфузорных каналов составляют угол 30^o с касательными к горизонтальному сечению цилиндрической зоны формирования вихря, конфузорные каналы имеют стенки сверху и снизу, отношение диаметров отверстий опорных колец к диаметру зоны формирования вихря равно 0,5, высота цилиндрической зоны формирования вихря равна его диаметру, ротор дополнительно содержит крестовину, плоскости которой в нижней части имеют вырезы для вала, дополнительный источник восходящих потоков нагретого воздуха образован в виде газодинамического факела пламени, истекающего из сопла, в которое подают газообразное горючее, и расположенного ниже нижнего опорного кольца, при этом лопатки ротора спрофилированы с возможностью создания нисходящими и восходящими потоками углового момента одного направления в зоне формирования вихря.

На фиг.1 изображен вихревой ветродвигатель (общий вид); на фиг.2 - разрез А-А ветродвигателя; на фиг.3 - воздушные потоки, создаваемые газодинамическим факелом в зоне формирования вихря.

Вихревой ветродвигатель содержит статор-завихритель, состоящий из, по меньшей мере одного конфузорного канала 1, ротора 2 с профилированными лопатками 3 на валу 4 и дополнительного источника восходящих потоков нагретого воздуха, образованного в виде газодинамического факела 5 пламени, истекающего из сопла 6, в которое подают газообразное горючее, при этом в статоре-завихрителе размещена зона 7 формирования воздушного вихря, боковая поверхность которой образована концевыми сечениями конфузорных каналов 1, а нижнее и верхнее основания - нижним и верхним опорными кольцами 8, 9, имеющими верхнее и нижнее сквозные отверстия 10, 11, причем сам статор-завихритель установлен на опорной конструкции 12 над поверхностью земли в потоке воздуха, имеющем скорость большую, чем у ее поверхности.

Вертикальные стенки конфузорных каналов 1 составляют угол 30^o с касательными к горизонтальному сечению цилиндрической зоны 7 формирования вихря, при этом конфузорные каналы 1 имеют стенки сверху и снизу, отношение диаметров отверстий опорных колец 8,9 к диаметру зоны 7 формирования вихря равно 0,5, а высота L цилиндрической зоны 7 формирования вихря равна его диаметру D(L/D=1).

Ротор 2 дополнительно содержит крестовину 13, плоскости которой в нижней части имеют вырезы для вала 4. Газодинамический факел 5 пламени расположен ниже нижнего опорного кольца 8, а сопло 6 расположено на такой высоте h над поверхностью земли, чтобы длина факела 5 достигала уровня отверстия 11.

Лопатки 3 ротора 2 спрофилированы с возможностью создания нисходящими и восходящими потоками углового момента одного направления в зоне 7 формирования вихря.

Вихревой ветродвигатель работает следующим образом. Прямолинейный поток воздуха, имеющий на высоте большую скорость, чем у поверхности земли, независимо от направления скорости ветра попадает в один или несколько конфузорных каналов 1, пройдя которые и увеличив первоначальную скорость ветра во столько раз, во сколько площадь входного сечения канала 1 больше выходного, он попадает в зону 7 формирования вихря под углом 30^o к касательной к горизонтальному сечению цилиндрической зоны 7. В этой зоне 7 из-за большой скорости ветра, согласно известному уравнению Бернулли, уменьшается статическое давление, что приводит к эжектированию воздушных масс внутрь зоны 7 через каналы, смежные с каналами, через которые проник прямолинейный поток ветра. В свою очередь, входя в зону 7, эжектируемые потоки отклоняют от соседних каналов прямолинейный ускоренный поток воздуха, вызывая его закрутку в одну и ту же сторону, не зависящую от его первоначального направления. При этом нижние и верхние стенки конфузорных каналов 1 обеспечивают вхождение в зону 7 всех воздушных масс, попавших во входные сечения каналов 1, что увеличивает кинетическую энергию вихря. Опорные кольца 8 и 9 также удерживают закрученный воздушный поток в зоне 7 формирования вихря.

Описанным выше путем происходит формирование периферийного вихря, опирающегося на опорные кольца 8 и 9 и имеющего сдвинутый по радиусу максимум окружной скорости v внутрь вихря из-за оттесняющего действия эжектируемых потоков.

Центробежная сила периферийного вихря вызывает отток в радиальном направлении воздуха от оси зоны 7. Этот отток совместно с притоком к центру зоны 7 исходного потока воздуха и эжектируемых потоков формирует устойчивый и наблюдаемый контур вихря в форме цилиндрического столба, опирающегося на опорные кольца 8, 9.

Отток воздуха от оси зоны 7 вызывает уменьшение статического давления в этом месте. Вследствие этого и действия силы тяжести через верхнее отверстие 10 внутрь зоны 7 вовлекаются воздушные массы, закручиваемые периферийным вихрем и имеющие нисходящий осевой поток в центре. Так формируется внутренний вихрь.

Центробежная сила внутреннего вихря также вызывает отток воздуха от оси зоны 7 в радиальном направлении. Поэтому не вся масса воздуха, вошедшая через отверстие 10, доходит до нижнего отверстия 11. Воздух, вошедший в отверстие 10 и не дошедший до отверстия 11, вместе с воздушными массами из конфузорных каналов 1 создает восходящие потоки вблизи периферии верхнего отверстия 10. Радиальный профиль 14 осевой скорости, формирующий указанные осевые потоки, типичен для реальных ураганов.

Сформированный таким образом в зоне 7 из прямолинейного воздушного потока ураганоподобный вихрь имеет соизмеримые по абсолютным величинам осевую 14w и окружную 15v скорости. При этом, такой вихрь с размерами L=D обладает максимальной кинетической энергией.

Вал 4 ветродвигателя приводится во вращение крестовиной 13, превращающей кинетическую энергию окружного движения в механический угловой момент, а также лопатками 3, спрофилированными так, чтобы нисходящий и восходящий осевые потоки вихря создавали угловой момент одного направления, совпадающего с направлением вращения крестовины 13. Так как вблизи оси вихря окружная скорость вихря незначительна, то плоскости крестовины 13 имеют вырезы, что облегчает конструкцию ротора 2.

При отсутствии ветра газодинамический факел 5 пламени, истекающий в свободное пространство из сопла 6 с большой гидродинамической скоростью, направленной вдоль оси зоны 7 снизу вверх, вовлекает в движение слои воздуха, прилегающие к периферии факела 5. Эти слои воздуха вблизи периферии нижнего отверстия 11 в направлении снизу вверх втекают в зону 7, создавая в ней вертикальные осевые потоки. В окрестности центра нижнего отверстия 11 фронт пламени 5 сильно разогревает воздух, что вызывает нисходящий свободно-конвективный поток воздуха, входящий в зону 7 через верхнее отверстие 10. Эти два осевых потока, действуя на лопатки 3, приводят во вращение вал 4, который приводит во вращение крестовину 13. Крестовина 13 в данном случае, действуя как завихритель, создает окружной воздушный поток и за счет дополнительных масс воздуха, эжектируемых через каналы 1, увеличивает кинетическую энергию вихря при фиксированных оборотах вала 4, получаемых с помощью описанных выше осевых потоков.

Совместное использование двух вышеописанных источников вихревого движения (прямолинейного потока ветра и факела пламени) только усилит мощность ветродвигателя.

Формула изобретения

1. Вихревой ветродвигатель, содержащий статор-завихритель с, по меньшей мере, одним конфузорным каналом, ротор с профилированными лопатками на валу и дополнительный источник восходящих потоков нагретого воздуха, отличающийся тем, что в статоре-завихрителе размещена зона формирования воздушного вихря, боковая поверхность которой образована концевыми сечениями конфузорных каналов, а нижнее и верхнее основания - опорными кольцами, имеющими сквозные отверстия, причем сам статор-завихритель установлен на опорной конструкции над поверхностью земли в потоке воздуха, имеющем скорость большую, чем у ее поверхности.

2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что вертикальные стенки конфузорных каналов составляют угол 30^o с касательными к горизонтальному сечению цилиндрической зоны формирования вихря.

3. Ветродвигатель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что конфузорные каналы имеют стенки сверху и снизу.

4. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что отношение диаметров отверстий опорных колец к диаметру зоны формирования вихря равно 0,5.

5. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что высота цилиндрической зоны формирования вихря равна его диаметру.

6. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор дополнительно содержит крестовину, плоскости которой в нижней части имеют вырезы для вала.

7. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный источник восходящих потоков нагретого воздуха образован в виде газодинамического факела пламени, истекающего из сопла, в которое подают газообразное горючее, и расположенного ниже нижнего опорного кольца.

8. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что лопатки ротора спрофилированы с возможностью создания нисходящими и восходящими потоками углового момента одного направления в зоне формирования вихря.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3