Многощелевой оппозитный ветротеплогенератор на эффекте куэтта-тэйлора с распределителем вращательного момента от вала удаленного ветроколеса
Владельцы патента RU 2774137:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к ветродвигателям c теплогенератором и может использоваться при строительстве теплостанций. Многощелевой оппозитный ветротеплогенератор содержит ветродвигатель с вертикальной осью и теплогенератор, содержащий верхний и нижний однотипные соосные многоцилиндровые роторы. Все межцилиндровое пространство теплогенератора заполнено вязким жидким теплоносителем. В узких зазорах межцилиндрового пространства за счет вязкой диссипации генерируется тепловая энергия. Теплогенератор содержит раздаточный механизм, состоящий из двух «венцовых» шестерён большого диаметра и двух «паразитных» шестерён малого диаметра, расположенный в объёме между верхним и нижним однотипными соосными многоцилиндровыми роторами и осуществляющий оппозитное вращение роторов. «Венцовые» шестерни расположены соосно роторам и имеют разные диаметры. «Венцовая» шестерня большего диаметра связана с нижним ротором, а «венцовая» шестерня меньшего диаметра связана с верхним ротором. «Паразитные» шестерни закреплены на неподвижной раме, жестко связанной с корпусом теплогенератора, и расположены между «венцовыми» шестернями. Техническим результатом является обеспечение возможности преобразования механической энергии ветра в теплогенераторе и упрощение конструкции ветротеплогенераторов. 3 ил.
Изобретение относится к агрегатированию ветродвигателя c теплогенератором. Изобретение может использоваться при строительстве теплостанций.
Известны следующие решения:
1) патент US 4424796, 1984 г., F03D 9/00; F24J 3/00;
2) патент FR 2407369, 1979 г., F03D 9/00; F03D 9/02;
3) патент РФ № 2088797, 1994 г., F03D 3/00;
4) авторское свидетельство № 1252535, 1985 г., F03D 9/00;
5) патент РФ № 2380567, 2005 г., F03D 3/00;
6) авторское свидетельство № 992800, 1981 г., F03D 3/00.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является ветротеплогенератор (патент RU № 2612237, 2015 г., F03D 9/22, F24J3/00), который содержит теплогенератор, расположенный между двумя однотипными ветродвигателями, валы которых сочленены с осями верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора. При этом однотипные ветродвигатели осуществляют оппозитное (навстречу друг другу) вращение верхнего и нижнего однотипных соосных многоцилиндровых роторов теплогенератора, все межцилиндровое пространство которого заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства возникает течение Куэтта-Тейлора. Оппозитный ветротеплогенератор, выполненный по схеме патента (RU 2612237), обладает высокой эффективностью за счёт встречного вращения роторов теплогенератора при низких скоростях ветра, но, как показала практика, такая схема компоновки двух ветродвигателей с теплогенератором не совсем удобна при практической реализации подобных агрегатов большой мощности. Чем крупнее агрегат, тем технически сложнее разместить ветродвигатели сверху и снизу от теплогенератора, так как приходится поднимать теплогенератор на большую высоту для обеспечения нормального режима работы нижнего ветродвигателя.
Задачей изобретения является упрощение конструкции ветротеплогенераторов, использующих теплогенераторы с оппозитно вращающимися роторами. Такое упрощение особенно важно при реализации проектов, использующих ветротеплогенераторы большой мощности (больших габаритных размеров).
Поставленная задача решается тем, что в многощелевом оппозитном ветротеплогенераторе, содержащем ветродвигатель с вертикальной осью и теплогенератор, содержащий верхний и нижний однотипные соосные многоцилиндровые роторы, при этом все межцилиндровое пространство теплогенератора заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства за счет вязкой диссипации генерируется тепловая энергия, согласно изобретению, теплогенератор содержит раздаточный механизм, состоящий из двух «венцовых» шестерён большого диаметра и двух «паразитных» шестерён малого диаметра, расположенный в объёме между верхним и нижним однотипными соосными многоцилиндровыми роторами и осуществляющий оппозитное вращение роторов. «Венцовые» шестерни 13 и 15 раздаточного механизма расположены соосно роторам, имеют разные диаметры и жестко связаны, соответственно, с нижним и верхним роторами 7 и 8, «паразитные» шестерни 14 закреплены на неподвижной раме 9, жестко связанной с корпусом теплогенератора и расположены между «венцовыми» шестернями так, что обеспечивают оппозитное вращение роторов.
Основным техническим результатом изобретения является возможность преобразования механической энергии ветра в теплогенераторе с двумя оппозитно вращающимися многоцилиндровыми роторами с помощью одного ветродвигателя за счет применения раздаточного механизма, который от вала ветродвигателя получает вращательный момент силы, разделяет его на два встречных направления и передаёт на оба ротора, которые вращаются при этом оппозитно (навстречу друг другу) с одинаковыми угловыми скоростями.
На фигуре 1 приведена схема ветротеплостанции на основе оппозитного ветротеплогенератора. На рис. 2 представлена схема оппозитного теплогенератора. На рис. 3 представлена фотография макета верхнего (нижнего) многоцилиндрового ротора теплогенератора.
1 - ветродвигатель с вертикальной осью
2 - вал ветродвигателя
3 - здание ветротеплостанции
4 - теплогенератор
5 - теплотрасса
6 - цилиндрический корпус теплогенератора
7 - нижний ротор теплогенератора
8 - верхний ротор теплогенератора
9 - рама передаточного механизма
10 - муфта сцепления
11 - узел верхнего подшипника с сальником
12 - крышка корпуса теплогенератора
13 - зубчатое колесо «венцовой» шестерни нижнего ротора
14 - промежуточная «паразитная» шестерня
15 - зубчатое колесо «венцовой» шестерни верхнего ротора
16 - ступица верхнего ротора
17 - рабочий вал верхнего ротора
18 - опорный подшипник верхнего ротора
19 - рабочий вал нижнего ротора
20 - узел нижнего подшипника с сальником.
Ветротеплостанция состоит из одного ветродвигателя 1 с вертикальной осью, который приводит во встречное вращение два однотипных соосных многоцилиндровых ротора теплогенератора 4. В предложенной конструкции ось ветродвигателя 1 расположена вертикально, лопасти ветроколеса вращаются в одном направлении и не требуют управления ориентацией на направление ветра. В состав ветротеплостанции входит аккумулятор тепла с теплообменником (на рисунках не показаны), через который генерируемое тепло передается потребителю. Ветродвигатель устанавливается на опорной мачте соответствующей высоты.
В теплогенераторе заложена конструкция с встречно вращающимися однотипными соосными многоцилиндровыми роторами 7, 8. Рабочий вал ветродвигателя 2 сочленен через муфту сцепления 10 с рабочим валом 17 верхнего ротора 8 теплогенератора и через раздаточный механизм 13, 14, 15 передаёт часть вращающего момента ветродвигателя нижнему многоцилиндровому ротору 7 теплогенератора. Рабочие валы 17, 19 верхнего и нижнего роторов теплогенератора зафиксированы в подшипниках качения 11 и 20, при этом рабочий вал верхнего ротора имеет шариковый подпятник 18, опирающийся на рабочий вал 19 нижнего ротора.
«Венцовые» шестерни 13 и 15 раздаточного механизма жестко связаны, соответственно, с нижним и верхним роторами 7 и 8, «паразитные» шестерни 14 закреплены на неподвижной раме 9, жестко связанной с корпусом теплогенератора. Корпус теплогенератора, состоящий из боковой цилиндрической стенки 6 и верхней крышки 12, является опорной конструкцией всего агрегата.
Верхний и нижний многоцилиндровые роторы теплогенератора в сборе представляют собой конструкцию, образующую систему коаксиальных узких кольцевых зазоров, заполненных вязкой рабочей жидкостью. Ширина кольцевых зазоров определяется разностью диаметров соседних цилиндров. При оппозитном вращении роторов в этих кольцевых зазорах реализуется течение Куэтта-Тэйлора. При этом вследствие интенсивных диссипативных процессов во всем объеме рабочей жидкости выделяется тепло.
Мощность (теплопроизводительность) теплогенератора определяется следующими конструктивными параметрами:
- высота кольцевых зазоров теплогенератора;
- диаметр кольцевых зазоров теплогенератора;
- ширина кольцевых зазоров теплогенератора;
- количество кольцевых зазоров теплогенератора;
- относительная скорость вращения роторов теплогенератора;
- вязкость теплоносителя (рабочей жидкости) теплогенератора.
Конструктивные параметры теплогенератора заданной мощности определяются расчетным путем по существующей методике расчета [В.Н. Мамонов, Н.Б. Миськив, А.Д. Назаров, А.Ф. Серов, В.И. Терехов. Генерация тепла в мультицилиндровой системе Куэтта-Тэйлора // Теплофизика и аэромеханика. 2019. Т. 26. № 5. С. 729-739].
Пример конструктивных параметров и результатов испытаний опытного образца теплогенератора:
- высота кольцевых зазоров теплогенератора 50 мм;
- диаметр кольцевых зазоров теплогенератора (196-304) мм;
- ширина кольцевых зазоров теплогенератора – 2 мм - 7 зазоров и 3,6 мм - 6 зазоров;
- суммарное количество кольцевых зазоров теплогенератора 13;
- относительная скорость вращения роторов теплогенератора (12-58) рад/с;
- вязкость теплоносителя (рабочей жидкости) теплогенератора (0,9-83)·10-6 м2/с.
При этих условиях опытный образец теплогенератора развивал мощность в диапазоне от 3Вт до 630Вт.
Заявляемое изобретение позволит существенно упростить конструкцию ветротеплогенератора любой конструкции, агрегируемого с оппозитным теплогенератором.
Многощелевой оппозитный ветротеплогенератор на эффекте Куэтта-Тэйлора с распределителем вращательного момента от вала удаленного ветроколеса, содержащий ветродвигатель с вертикальной осью и теплогенератор, содержащий верхний и нижний однотипные соосные многоцилиндровые роторы, при этом все межцилиндровое пространство теплогенератора заполнено вязким жидким теплоносителем, а в узких зазорах межцилиндрового пространства за счет вязкой диссипации генерируется тепловая энергия, отличающийся тем, что теплогенератор содержит раздаточный механизм, состоящий из двух «венцовых» шестерён большого диаметра и двух «паразитных» шестерён малого диаметра, расположенный в объёме между верхним и нижним однотипными соосными многоцилиндровыми роторами и осуществляющий оппозитное вращение роторов, при этом «венцовые» шестерни расположены соосно роторам и имеют разные диаметры, при этом «венцовая» шестерня большего диаметра связана с нижним ротором, а «венцовая» шестерня меньшего диаметра связана с верхним ротором, «паразитные» шестерни закреплены на неподвижной раме, жестко связанной с корпусом теплогенератора, и расположены между «венцовыми» шестернями.
