Турбина с вертикальным валом вращения
Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике и касается ветро- и гидродвигателей с вертикальным валом вращения. Турбина с вертикальным валом вращения содержит шарнирно размещенный на стойке вал с жестко и нормально скрепленными с ним опорами и размещенные между опорами лопатки, установленные на осях с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами. Опоры размещены, по меньшей мере, в двух направлениях с образованием ряда. Лопатки выполнены из замкнутого эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную ось и подпружиненную от оси вертикальную жесткую кромку. Кроме того, каждая лопатка снабжена упорами, фиксирующими эластичный материал относительно утолщенной оси. Турбина может быть снабжена дополнительными рядами опор с лопатками, установленными выше и/или ниже первого ряда. Конструкция турбины проста и позволяет эффективно работать независимо от скорости и порывов ветра, региона и места использования, в том числе и на подвижных объектах с КПД на 10-16% выше, чем у аналогичных конструкций. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике и касается ветро- и гидродвигателей с вертикальной осью вращения.
Известен «Роторный двигатель с вертикальным валом вращения» (патент RU №2263815, F03D 3/00, опубл. бюл. №31 от 10.11.2005 г.), содержащий ротор, у которого рабочими органами являются лопасти, выполненные в виде части полой сферы или части полого цилиндра, закрепленные на вертикальном валу, на концах которого установлены верхний и нижний подшипники, находящиеся соответственно в верхнем и нижнем подшипниковых корпусах, при этом он снабжен опорной фермой, состоящей как минимум из трех опор, соединенных между собой в один жесткий конструктивный узел верхними и нижними перекладинами, к которым прикреплены соответственно верхняя и нижняя опорные площадки с отверстиями в центре, а к опорным площадкам соосно с отверстиями прикреплены подшипниковые корпуса верхнего и нижнего подшипников таким образом, что ротор верхним и нижним концами вала с размещенными на них верхним и нижним подшипниками устанавливают в подшипниковых корпусах и размещают внутри опорной фермы между опорными площадками с возможностью вращения.
Недостатками данной конструкции являются
- низкий коэффициент полезного действия (КПД), так как площадь лопасти, вращающая двигатель, равна площади лопасти, препятствующей вращению, а вращение происходит из-за разности обтекаемости форм;
- низкая надежность и высокие материальные затраты, так как при сильном ветре из-за одинаковой и неизменяемой площади лопастей, находящихся с обоих концов вертикального вала, вся энергия воздействует на этот вал, для исключения подобных эффектов необходимы большие затраты на увеличение жесткости и металлоемкости конструкции.
Известна также «Турбина ветряного двигателя» (патент RU №2009371, F03D 3/00, 3/06, опубл. 15.03.1994 г.), содержащая центральную вертикальную ось со ступицей и закрепленные на ней вогнутые крылья с шарнирно установленными на последних вертикальными лопастями, при этом каждое из крыльев снабжено горизонтальными подкрылками, средний из которых жестко закреплен, а верхний и нижний выполнены в виде подвижных секторов, установленных в нахлестку с рабочей поверхностью крыла.
Недостатками данной конструкции являются
- пониженный КПД, так как площадь лопастей, установленных на изогнутых крыльях и препятствующих вращению двигателя, достаточно велика;
- сложность конструкции, низкая надежность и высокие материальные затраты, так как большое количество сопрягаемых деталей;
- снижение КПД также из-за нестабильности работы, связанной с возникновением турбулентности (возникновение завихрений) в обдуваемом потоке воздуха, особенно при порывистом ветре в момент закрывания или открывания лопастей;
- возникновение завихрений (турбулентности) потоков при незначительной линейной скорости вращения (1,5 - 2 м/с).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является «Турбина для генерирования энергии» (патент RU №2270932, F03B 17/06, F03D 3/00, опубл. 15.03.1994 г.) набегающего сбоку потока воды или воздуха, включающая вал, шарнирно размещенный на стойке, вокруг которого в радиальных направлениях между опорами, жестко и нормально скрепленными с валом, размещены лопатки с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, при этом лопатки выполнены плоскими со скругленными длинными кромками и размещены вокруг вала как минимум в двух направлениях с промежутками по кромкам, причем поворот лопатки ограничен двумя фиксаторами, а образованный таким образом ярус турбины повторяется по длине вала с равномерным угловым разворотом, при этом опоры могут быть выполнены в виде радиальных консолей с аэродинамическим профилированием поперечного сечения, а фиксаторы могут быть выполнены убирающимися в тело опоры при превышении силой давления лопатки тарированной силы пружины, удерживающей фиксатор в рабочем положении.
Недостатками данной конструкции являются
- пониженный КПД, так как площадь лопаток, препятствующих вращению при вращении турбины, достаточно велика из-за наличия двойных фиксаторов и плоских лопаток;
- снижение КПД также из-за нестабильности работы, связанной с возникновением турбулентности (возникновение завихрений) в обдуваемом потоке воздуха, особенно при порывистом ветре в момент закрывания или открывания лопаток;
- возникновение завихрений (турбулентности) потоков при незначительной линейной скорости вращения (2-2,5 м/с), то есть на концах опор завихрения больше, что ограничивает размах эффективного использования.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание оптимальной и простой турбины с вертикальным валом вращения, позволяющей более стабильно работать при высоких линейных скоростях и порывах ветра с повышенным КПД, за счет конструкции лопатки.
Техническая задача решается турбиной с вертикальным валом вращения, содержащим шарнирно размещенный на стойке вал с жестко и нормально скрепленными с ним опорами и размещенные между опорами лопатки, установленные на осях с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами, причем опоры размещены, по меньшей мере, в двух направлениях с образованием ряда.
Новым является то, что лопатки выполнены из замкнутого эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную ось и подпружиненную от оси вертикальную жесткую кромку.
Новым является также то, что лопатка снабжена упорами, фиксирующими эластичный материал относительно утолщенной оси.
Новым является также то, что она снабжена дополнительными рядами опор с лопатками, установленными выше и/или ниже первого ряда.
На фиг.1 изображена схема ветродвигателя в поперечном разрезе ряда лопаток, вид сверху.
На фиг.2 изображен вид лопатки под воздействием потока воздуха или жидкости.
Турбина с вертикальным валом вращения содержит вал 1 (см. фиг.1), шарнирно размещенный на стойке (на чертеже не показана), вокруг которого в радиальных направлениях между опорами 2, жестко и нормально скрепленными с валом 1, размещены лопатки 3 на оси 4 с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами 5 и 6. Лопатки 3 (см. фиг.2) выполнены в виде замкнутого эластичного материала 7, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения благодаря упорам 8 утолщенную ось 4 и отжатую пружинной проволокой 9 от оси вертикальную жесткую кромку 10. Эластичный материал 7 может быть зафиксирован относительно утолщенной оси 4. Опоры 2 (см. фиг.1), в которых расположены оси 4, размещены как минимум в двух направлениях относительно вала 1, образуя ряд 11 лопаток 3.
При этом для увеличения площади и равномерности вращения без увеличения длины опор 2 турбины количество аналогичных рядов 11 опор 2 с лопатками 3, установленных на турбине выше и/или ниже первого ряда, может быть более одного.
Турбина работает следующим образом.
Под действием потока (независимо от его направления) газа (воздуха) или жидкости (воды) лопатки 3 (см. фиг.1) на осях 4 поворачиваются между фиксаторами 5 (открытое состояние), расположенными на расстоянии от опор 2, и 6 (закрытое состояние), расположенными в непосредственной близости от опор 2). При нахождении в закрытом состоянии общая площадь лопаток 3, на которые воздействует поток, превосходит общую площадь лопаток 3, находящихся в открытом состоянии на другом конце от вала 1 в противоположном направлении. В результате из-за разности усилий, оказываемых потоком на противоположных направлениях, опоры 2 с лопатками 3 вращаются вокруг вала 1.
Благодаря тому, что лопатки 3 (см. фиг.2) выполнены в виде замкнутого эластичного материала 7, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения из-за упоров 8 утолщенную ось 4 и отжатую пружинной проволокой 9 от оси вертикальную жесткую кромку 10, лопатка 3 имеет каплевидную форму 3' (см. фиг.1) в поперечном сечении в свободном состоянии или при равномерном воздействии потока с двух сторон, когда лопатка 3' находится между фиксаторами 5 и 6. Такая форма лопатки 3' с располагаемой навстречу потоку осью 4 имеет наименьший коэффициент сопротивления потоку (на практике коэффициент сопротивления Сх≈0,08-0,12), при этом турбулентные завихрения, создаваемые лопатками 3, минимальны. Для исключения смещения эластичного материала 7 в поперечном направлении относительно утолщенной оси 2 он может быть зафиксирован относительно этой оси 4.
Опоры 2, в которых расположены оси 4, размещенные как минимум в двух направлениях вокруг вала 1 на одном уровне, образуют ряд 11 лопаток 3.
Для увеличения площади и равномерности вращения без увеличения длины опор 2 турбины количество аналогичных рядов 11 опор 2 с лопатками 3, установленных на турбине выше и/или ниже первого ряда, может быть более одного. Что позволяет добиться максимальной снимаемой с вращающегося вала 1 мощности (например, при помощи генератора, редуктора и т.п.), не увеличивая длины опор 2, чтобы не увеличивать линейную скорость удаленных от вала 1 лопаток 3 и, следовательно, не создавать на них паразитных завихрений потока и инерционного воздействия на лопатки 3 (так как вес лопатки не нулевой, а чем выше скорость, тем выше инерция), приводящих к снижению КПД турбины (на практике до 30%). Чем более плотный поток и/или ниже скорость его течения, тем более длинными могут быть опоры 2 без возникновения паразитной турбулентности (завихрений) потока на удаленных от вала 1 лопатках 3.
Так как основной вес лопатки 3 сосредоточен в утолщенной оси 4, то инерционность ее конструкции при поворотах низкая, что также благотворно влияет на КПД турбины и позволяет использовать эффективно турбины с длиной опор 2 на 15-20% большей, чем у аналогов с плоскими лопатками.
При боковом воздействии потока на лопатку 3 лицевая (ветреная) ее сторона (см. фиг.2) искривляется в виде «паруса», позволяя более эффективно использовать силу потока, даже когда лопатка 3" находилась в открытом состоянии, так как ее действие аналогично действию паруса судна, движущегося галсам против ветра. На практике турбина начинала вращаться при скорости потока в два раза ниже, чем при использовании плотских лопаток. При этом после установки лопатки 3' вдоль потока она сразу же принимала каплевидную форму в поперечном сечении за счет отжатия кромки 10 (см. фиг.2) пружинными проволоками 9. Такая конструкция лопатки 3 позволила эффективно работать на линейных скоростях, почти превышающих аналоги.
На практике в качестве эластичного материала 7 лопатки 3 использовали несколько вариантов при воздействии бокового потока:
во-первых, замкнутую полосу пластика, в результате только лицевая сторона лопатки искривлялась под действием потока;
во-вторых, герметично запаянный пластик, с внутренней полостью (на фиг. не показана), заполненной воздухом, в результате под действием лицевой стороны на заполоненную воздухом полость искривлялась тыльная, обратная лицевой, сторона лопатки 3;
в-третьих, замкнутую полосу незначительно пропускающего поток материала (плотную ткань без пропитки полимерами), в результате под действием проходящего через лицевую сторону потока искривлялась тыльная сторона лопатки 3, в большей степени, чем во втором варианте;
в-четвертых, замкнутую полосу незначительно пропускающего поток только внутрь материала (ткань с длинным ворсом, направленным внутрь), в результате под действием проходящего через лицевую сторону потока искривлялась тыльная сторона лопатки 3, в большей степени, чем в третьем варианте.
Исследования показали, что чем выше кривизна тыльной части лопатки 3, тем выше скорость потока, протекающего вдоль нее, и тем выше усилие (согласно закону Бернулли), направленное перпендикулярно тыльной части лопатки от нее (аналогично воздействию «подъемной силы» на крыло самолета). Чем выше скорость потока, тем больше этот эффект проявляется.
Исходя их вышесказанного, чем выше средняя скорость потока, тем больше должна быть кривизна тыльной стороны (исходя из вариантов конструкции) лопатки 3 для получения большей эффективности работы турбины.
При использовании двух фиксаторов 5 и 6 разность усилий, оказываемых потоком на противоположных направлениях, где опоры 2 с лопатками 3 вращаются вокруг вала 1, менее значительная, чем у конструкций с одним фиксатором 6, а конструкция лопатки 3 нивелирует отрицательный эффект от этого. Все это, в совокупности, позволяет использовать турбину на движущихся платформах (на фиг. не показана).
Конструкция предлагаемой турбины с вертикальным валом вращения проста и позволяет эффективно работать независимо от скорости и порывов ветра, региона и места использования, в том числе и на подвижных объектах с КПД на 10-16% выше, чем у аналогичных конструкций.
1. Турбина с вертикальным валом вращения, содержащая шарнирно размещенный на стойке вал с жестко и нормально скрепленными с ним опорами, и размещенные между опорами лопатки, установленные на осях с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами, причем опоры размещены, по меньшей мере, в двух направлениях с образованием ряда, отличающаяся тем, что лопатки выполнены из замкнутого эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную ось и подпружиненную от оси вертикальную жесткую кромку.
2. Турбина с вертикальным валом вращения по п.1, отличающаяся тем, что лопатка снабжена упорами, фиксирующими эластичный материал относительно утолщенной оси.
3. Турбина с вертикальным валом вращения по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными рядами опор с лопатками, установленными выше и/или ниже первого ряда.
