Аэрогидродинамический двигатель карпушкина
Изобретение относится к аэрогидродинамическим двигателям, преобразующим энергию поступательного движения газовой или жидкой среды, например ветра или течения воды, во вращательное движение вала привода силовых машин. Аэрогидродинамический двигатель содержит вертикальный вал вращения, связанные с ним оси, параллельные валу вращения, и профильные лопасти, шарнирно установленные на осях. Лопасти имеют вогнуто-выпуклый или плоско-выпуклый тип профиля, причем диаметрально противоположные от оси вращения лопасти шарнирно соединены с жесткой тягой посредством закрепленных на выпуклых сторонах рычагов, расположенных перпендикулярно плоскости лопастей по линии их вертикальных осей поворота. Ось шарнира каждой лопасти смещена от центра тяжести и фокуса аэродинамического профиля в сторону большей части лопасти. Вертикальный вал вращения выполнен с полой правильной призмой, вершины углов которой сориентированы на соответствующие оси лопастей, причем перпендикулярно оси вала вращения в углах полой правильной призмы выполнены сквозные прорези на разных ярусах рабочего пространства. Конструкция двигателя обеспечивает повышение мощности двигателя и его КПД при улучшении эксплуатационных характеристик. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к аэрогидродинамическим двигателям, преобразующим энергию поступательного движения газовой или жидкой среды, например ветра или течения воды, во вращательное движение вала привода силовых машин, таких как генератор электрического тока, гребной винт корабля, насос, подъемный механизм и т.п.
Известно по патенту RU 1134772 рабочее колесо карусельного ветродвигателя, содержащее втулку с консольными горизонтальными балками, имеющими на концах шарниры, и закрепленные на балках при помощи упомянутых шарниров вертикальные лопасти, каждая из которых снабжена кронштейном с жестко закрепленным на нем стабилизатором, а каждая лопасть снабжена расположенными по обе стороны от стабилизатора поворотными рулями и связанными с ним при помощи тяг подпружиненными двуплечими рычагами с выступами, и каждый шарнир - ответными последним выемками, сами лопасти выполнены из парусины и снабжены упорами, взаимодействующими с рычагами.
По патенту RU 1820024 известна ветроустановка, содержащая размещенный в опорной башне вертикальный вал с радиальными полыми траверсами, связанными вертикально-осевыми шарнирами с лопастями, подпружиненные тяги, установленные в полостях траверс и шарнирно соединенные с лопастями, и генератор, связанный с валом при помощи мультипликатора. У этой установки тяги выполнены в виде кулис, снабженных установленными на них регулировочными грузами, и подпружинены с помощью пар коаксиально установленных цилиндрических пружин, при этом вертикальные оси шарниров совмещены с центрами масс лопастей.
По патенту RU 2024782 известно ветроколесо, содержащее вертикальный вал, закрепленные на нем радиальные траверсы с шарнирно установленными лопастями, противовесы, причем оно снабжено шарнирно связанными между собой пилонами с кронштейнами, а траверсы - упорами, при этом пилоны расположены на лопастях, кронштейны шарнирно связаны с траверсами и установлены с возможностью взаимодействия с упорами, концы пружин соединены соответственно с пилонами в зоне задних кромок лопастей с одними концами кронштейнов, а на других концах последних размещены противовесы.
По патенту RU 2042044 известен карусельный ветродвигатель, содержащий установленный на вертикальной оси ротор с лопастями, размещенными на радиальных штангах, и механизм изменения углов атаки лопастей путем поворота лопастей вокруг собственных осей, параллельных оси вращения ротора, выполненный в виде связанного с каждой лопастью устройства изменения угла атаки, соединенного с другими аналогичными устройствами радиальными штангами посредством согласующего узла, смонтированного на оси вращения ротора, при этом каждая лопасть имеет аэродинамический симметричный профиль, ось вращения лопасти смещена к передней кромке, а устройство изменения угла атаки содержит смонтированный на каждой радиальной штанге корпус, в котором установлен пространственный кривошипно-шатунный механизм качающейся шайбы, связанный с осью лопасти посредством конической шестерни ориентации, сидящей на оси кривошипа, на которой установлен подшипник кронштейна, качающейся шайбой является втулка с двумя радиальными цапфами, установленная с возможностью поворота на наклонной оси, расположенной под углом α=45° к оси лопасти, а на цапфах шарнирно укреплены два вильчатых поводка, ось одного из которых установлена с возможностью вращения в подшипнике, размещенном на основании корпуса под углом β к линии оси лопасти, а ось второго вильчатого поводка установлена с возможностью поворота в подшипнике кронштейна, причем угол β не превышает угол α, a согласующий узел выполнен в виде конического дифференциала.
По патенту RU 2069795 известно ветроколесо, содержащее поворотные лопасти, шарнирно соединенные с траверсами, связанными с вертикальным валом, а траверса с лопастями дополнительно соединена с амортизатором, содержащим цилиндр и шток, которые соединены соответственно с траверсой и лопастью шарнирами, причем концевая часть траверсы выполнена с пазом, соответствующим форме цилиндра амортизатора, причем лопасть соединена по крайней мере с двумя траверсами, прикрепленными к одному валу.
По патенту RU 2246635 известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, представляющий собой ротор, содержащий вертикальный вал, имеющий ярусы из кронштейнов и лопасти, жестко установленные вдоль оси вращения, причем дополнительно содержит кожух в виде призмы, расположенный между кронштейнами соосно с валом, и горизонтальные экраны, при этом лопасти выполнены в виде аэродинамических крыльев с односторонними элеронами, обращенными в сторону кожуха и находящимися на расстоянии не более длины носка крыла, а каждый из элеронов закреплен шарниром в тело носка крыла таким образом, что свободным концом может быть оперт на грань кожуха. Элероны подпружиненными шарнирно-телескопическими тягами попарно соединены с установленными вдоль стенок кожуха вертикальными поворотными лопастями, а с противоположной стороны, служащей опорой элерону, каждая грань кожуха имеет скос, составляющий с касательной к окружности вращения угол не менее 15 градусов.
Однако все вышеперечисленные аналоги имеют следующие недостатки: большая вибрация и постоянный шум; низкое соотношение производимой мощности и пассивной массы конструкции; наличие "мертвых" зон при изменении направления потока; относительно низкая величина вращательного момента.
Наиболее близкими к предлагаемому являются:
Аэрогидродинамический двигатель по патенту RU 2014486, в котором упоры, скрепленные с валом вращения, размещены попарно по обе стороны от оси лопасти в плоскостях, проходящих через оси лопастей и вал вращения, при этом каждая из частей лопасти выполнена с различной массой с обеспечением равенства статических моментов указанных частей лопасти относительно ее оси, а большая по размерам часть лопасти выполнена более легкой и расположена между осью лопасти и валом вращения.
По патенту RU 2044157 аэрогидродинамический двигатель, содержащий вертикальный вал, связанные с валом вертикальные оси, лопасти, шарнирно установленные на осях, и взаимодействующие с лопастями упоры, ограничивающие поворот лопастей вокруг осей, выполнен многоярусным с размещением в каждом ярусе по меньшей мере трех лопастей, каждая лопасть выполнена аэродинамического профиля и статически уравновешена относительно центра оси вращения, смещенного в сторону передней кромки лопасти, при этом оси лопастей каждого яруса смещены по отношению к осям смежных с ним ярусов на угол, равный частному от деления угла между осями яруса на общее число ярусов, упоры смещены от центра осей вращения соответствующих лопастей к валу на величину, меньшую расстояния от передней кромки до центра вращения лопасти по хорде профиля.
По патенту RU 2235901 ветродвигатель, содержащий вал, закрепленные на нем радиальные траверсы, шарнирно связанные с ними профилированные лопасти, причем ось шарниров каждой лопасти смещена от центра тяжести лопасти и фокуса аэродинамического профиля в сторону его носка, а лопасти закреплены в шарнирах с возможностью свободно поворачиваться в пределах секторов, ограниченных механическими упорами.
Прототипом к предлагаемому изобретению является ветродвигатель по патенту RU 2029885. Он содержит вертикальный вал с кронштейнами и прикрепленные к ним поворотные лопасти, контактирующие с упорами, которые выполнены в виде установленных вокруг вала плоских панелей, соединенных своими краями между собой и кронштейнами, причем каждая из вершин углов, образованных соединенными панелями, расположена на оси симметрии соответствующего кронштейна.
Недостатком этих ветродвигателей, как и прототипа, является то, что при повороте оси вращения и лопастей вокруг собственных осей под действием набегающего потока всегда возникает такое взаимное положение лопастей относительно направления потока, при котором вращательный аэродинамический момент уравновешивается тормозящим аэродинамическим моментом, даже если двигатель выполнен в виде системы с несколькими осями вращения, связанными трансмиссией, и со смещенными на некоторый угол начальными положениями лопастей каждой отдельной оси вращения.
Также к недостаткам следует отнести низкий коэффициент использования энергии потока, большую вибрацию и постоянный шум при контакте лопастей с упорами.
Изобретение решает задачу повышения эффективности работы двигателя и надежности.
Технический результат при использовании изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик и повышении мощности двигателя, его КПД.
Указанный технический результат достигается тем, что аэрогидродинамический двигатель Карпушкина выполнен из вертикального вала вращения с полой правильной призмой, вершины углов которой сориентированы на соответствующие оси лопастей, которые, в свою очередь, выполнены вогнуто-выпуклыми или плосковыпуклыми, причем диаметрально противоположные от оси вращения лопасти шарнирно соединены с жесткой тягой посредством закрепленных на выпуклых сторонах рычагов, расположенных перпендикулярно плоскости лопастей по линии их вертикальных осей поворота, а ось шарнира каждой лопасти смещена от центра тяжести и фокуса аэродинамического профиля в сторону большей части лопасти, причем перпендикулярно оси вала вращения в углах полой правильной призмы выполнены сквозные прорези на разных ярусах рабочего пространства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на фиг.1 изображен общий вид аэрогидродинамического двигателя (с наветренной стороны); а на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Аэрогидродинамический двигатель представляет собой вертикальный вал вращения 1, переходящий в рабочем пространстве в полый вертикальный вал вращения в виде правильной призмы 2. Каждая из вершин углов призмы 2 расположена на оси симметрии соответствующих профилированных кронштейнов 3, закрепленных на валу 1-2 на одинаковых расстояниях. Профилированные лопасти 4 соединены с кронштейнами 3 шарнирами 5. Диаметрально противоположные от оси вращения двигателя лопасти 4 еще соединены шарнирными наконечниками 6 с жесткой тягой 7 посредством закрепленных на выпуклой стороне каждой лопасти 4 рычагов 8. Каждая пара рычагов 8, шарнирно связанная с жесткой тягой 7, расположена на разных ярусах рабочего пространства полого вала 2 вращения. Жесткие тяги 7 свободно перемещаются возвратно-поступательно в сквозных прорезях 9. В нижней части вал 1-2 удерживается опорой 10, в которой вращательное движение вала 1-2 преобразуется в механическую работу.
Аэрогидродинамический двигатель работает следующим образом. Встречаясь с поверхностями лопастей 4, набегающий поток, обозначенный стрелками и имеющий произвольное направление, за счет создаваемого скоростного напора поворачивает лопасти 4 вокруг осей шарниров 5. При этом лопасть 4, расположенная с одной стороны полого вала 2, занимает положение, параллельное набегающему потоку, не оказывая ему существенного сопротивления, а шарнирно связанная с ней посредством жесткой тяги 7 диаметрально противоположная лопасть 4 - перпендикулярное, воспринимая давление набегающего потока. В результате этого возникает вращательный момент, приложенный к вертикальному валу вращения 1, и последний приобретает угловую скорость ω. Лопасти 4 при прохождении ими наветренной стороны в результате вращения двигателя изменяют угол атаки набегающему потоку, вследствие чего увеличивается аэро- или гидродинамическая сила Fа. При резком уменьшении скорости набегающего потока или кратковременном снятии полезной нагрузки с вала 1 может возникнуть эффект колебания лопастей 4, связанных единой жесткой тягой 7, когда одна из лопастей 4 находится с наветренной, а другая с подветренной стороны. Для устранения данного эффекта ось шарниров 5 каждой лопасти 4 смещена от центра тяжести Ц.Т. и фокуса аэродинамического профиля Ф в сторону большей части лопасти 4. При повороте полого вала 2 под острыми углами к направлению набегающего потока последний отклоняется от середины двигателя к его периферии (как показано на фиг.2 штриховыми линиями со стрелками), усиливая прямое давление набегающего потока, действующее на лопасти 4. При повышенных оборотах двигателя связанные жесткой тягой 7 пары лопастей 4 стремятся занять срединное положение, тем самым уменьшая вращательный момент.
Предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять самозапуск двигателя в работу при достаточно минимальной скорости набегающего потока и удерживать предельно допустимое число оборотов двигателя при повышенной выше номинальной скорости набегающего потока, не превышая механических перегрузок.
1. Аэрогидродинамический двигатель, содержащий вертикальный вал вращения, связанные с ним оси, параллельные валу вращения и профильные лопасти, шарнирно установленные на осях, отличающийся тем, что лопасти имеют вогнуто-выпуклый или плоско-выпуклый тип профиля, причем диаметрально противоположные от оси вращения лопасти шарнирно соединены с жесткой тягой посредством закрепленных на выпуклых сторонах рычагов, расположенных перпендикулярно плоскости лопастей по линии их вертикальных осей поворота.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ось шарнира каждой лопасти смещена от центра тяжести и фокуса аэродинамического профиля в сторону большей части лопасти.
3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что вертикальный вал вращения выполнен с полой правильной призмой, вершины углов которой сориентированы на соответствующие оси лопастей.
4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что перпендикулярно оси вала вращения в углах полой правильной призмы выполнены сквозные прорези на разных ярусах рабочего пространства.
