воздушный двигатель

Формула изобретения

Воздушный двигатель с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, отличающийся тем, что вертикально установленные лопасти, закрытые торцевыми дисками, образуют каналы, сформированные в виде активно-реактивной турбины, а входные в турбину каналы образованы жесткими вогнуто-выпуклыми поверхностями крылового типа, при этом выходные поверхности образуют сопловые аппараты для истечения воздуха и создания реактивной силы, причем регулирование геометрии межлопастного канала осуществляется путем изменения угла установки лопастей активной части и сокращения размеров реактивного канала путем втягивания эластичных его стенок в пустотелые полости активной части с помощью центробежного регулятора, а также установкой флюгером в положение навстречу ветру свободно вращающегося на оси неподвижной мачты направляющего аппарата для корректировки направления воздуха, попадающего во входные каналы двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к конструкции аэродинамического устройства, преобразующего энергию поступательного движения воздушного потока во вращательное движение рабочего вала, которое трансформируется в электроэнергию необходимого качества.

Известны своим практическим использованием устройства пропеллерного типа, повторяющие средневековую ветряную мельницу.

Недостатками пропеллерных устройств являются:

- необходимость увеличения диаметра пропеллера для увеличения мощности, отбираемой от ветрового потока, что, в свою очередь, требует размещения лопасти пропеллера, проходящей нижнюю точку, на расстоянии не ниже 10 метров от поверхности моря - высоты, на которой кончается пограничный ламинарный слой торможения воздуха за счет трения о поверхность земли. На земле с учетом расположенных вблизи окружающих предметов эта высота должна быть увеличена как минимум до 15 метров, а установки необходимо размещать на возвышенностях или плоских лишенных окружающих предметов плато. Например, ветроустановка Д-12 [1], мощностью в 15 л.с. с коэффициентом использования энергии ветра, равным 0.3, имеющая диаметр пропеллера 12 м, устанавливается на мачте высотой 16 м. Если от этой высоты отнять величину радиуса, равного 6 м, тогда и получим необходимую высоту прохождения нижнего положения - 10 м;

- пропеллерные установки для эффективной работы по отъему энергии ветра должны обеспечивать постоянный разворот всего механизма так, чтобы изменяющееся направление ветра было перпендикулярным плоскости пропеллера;

- консольно установленные лопасти пропеллера большого удлинения при своем вращении являются источниками инфразвуков, которые делают их экологически неприемлемыми вблизи мест проживания людей и нахождения животных;

- использование на этих установках пропеллеров с механизмами изменения углов атаки лопастей делает их весьма дорогостоящими.

Ряд недостатков описанных устройств устраняется на установках с измененной геометрией аэродинамического устройства, в которых ось вращения рабочего органа не совпадает, а перпендикулярна набегающему потоку воздуха. При этом не требуется разворачивать рабочий орган в поисках ветра.

В качестве прототипа использована вертикально-осевая ветроэнергетическая установка ВЭУ ЕСО-0020 [2], принцип работы которой основан на использовании подъемной силы прямых лопастей, вращающихся вокруг вертикальной оси. Установка представляет собой пару лопастей длиной 7 м с крыловым расположением, закрепленных на вертикальной оси, поднятой на мачте на высоту 14 м. Дополнительное оборудование (преобразователи энергии, аккумуляторы и т.д.) располагаются у основания установки, на фундаменте. Анализ векторных скоростных и силовых диаграмм указанной установки в зависимости от положения лопасти на окружности показывает, что:

- для вращения в одном необходимом направлении (запуск) требуется дополнительное устройство, расположенное сверху, консольное расположение длинных лопастей, закрепленных на радиальных пилонах, будет неизбежно приводить к возникновению спектра инфразвуков, т.е. экологическим ограничениям к использованию;

- способ установки крыловых лопастей будет приводить к неизбежным индуктивным потерям на концах лопастей и в месте их крепления к пилону.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и повышение эффективности преобразования энергии воздушного потока.

Указанная цель в предлагаемом воздушном двигателе с осью вращения лопастей, перпендикулярной направлению воздушного потока, достигается путем:

- образования вертикально установленными лопастями, закрытыми торцевыми дисками, каналов, сформированных в виде активно-реактивной турбины за счет того, что входные в турбину каналы созданы жесткими вогнуто-выпуклыми поверхностями крылового профиля, создающими подъемную силу, а выходные поверхности образуют сопловые аппараты для истечения воздуха и создания реактивной силы;

- регулирования геометрии межлопастного канала в зависимости от числа оборотов в единицу времени путем изменения угла установки лопастей активной части и сокращения размеров реактивного канала путем втягивания эластичных его стенок в пустотелые полости активной части под действием центробежного регулятора;

- установкой флюгером в положение навстречу ветру свободно вращающегося на оси неподвижной мачты направляющего аппарата для корректировки направления потока воздуха, попадающего во входные каналы двигателя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Выделение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить ряд существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому решению отличительных признаков конструкции и принципа действия воздушного двигателя, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Проведенный заявителем дополнительный поиск не выявил известные решения, содержащие признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного воздушного двигателя. Следовательно, для специалиста заявленное техническое решение не вытекает явным образом из известного уровня техники, т.к. не установлено влияние предусматриваемых существенными признаками патентуемого решения преобразования известных устройств. Заявленное техническое решение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении вида известных аналогов и прототипа. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Известно, что в соответствии с законом сохранения энергии потока сплошной среды (жидкости или газа) - уравнением Бернулли - полная энергия потока состоит из кинетической - скоростного напора и потенциальной - давления Р. Входящая во вторую компоненту - потенциальную энергию - высота положения Z для рассматриваемого случая не существенна, т.к. она остается неизменной при функционировании двигателя. Во всех описанных в аналогах и прототипе для преобразования в полезную работу используется только одна компонента энергии потока - скоростной напор. Поэтому коэффициент использования энергии ветра оценивается не более как 30%.

Предлагаемое устройство представляет собой активно-реактивную воздушную турбину с вертикально расположенными лопастями и осью вращения. Воздушный канал между соседними лопастями в передней, входной части сформирован участками лопастей, выполненных в виде выпукло-вогнутого аэродинамического профиля, а в задней - сходящимися по мере приближения к центру. В передней активной части срабатывается скоростной напор потока, а в задней - давление потока путем истечения из канала и созданием реактивной силы, проекция которой на радиус создает дополнительный вращающий момент. Во избежание индуктивных концевых потерь и для создания замкнутого межлопастного канала по торцам лопасти установлены в воздухонепроницаемые кольца. Общие геометрические соотношения, количество лопастей, углы установки лопастей в плане, модификация лопасти в задней реактивной части турбины определяются анализом векторных диаграмм и расчетов.

Для расширения диапазона автоматического регулирования модуля на ветры от нуля до ураганного производится разворот лопастей в их активной части так, чтобы угол атаки к набегающему потоку воздуха в передней части уменьшался, а реактивная часть канала сокращалась путем втягивания выполненных из технической ткани стенок внутрь жесткой части лопасти. Регулирование и силовое воздействие на элементы привода регулирования осуществляются путем использования шарового центробежного регулятора типа установленного на паровой машине Уатта.

На фиг.1 приведена схема устройства аэродинамического модуля. На фиг.1: 1 - жесткая, пустотелая часть лопасти - ступень активной турбины; 2 - эластичная часть реактивной ступени; 3 - торцевой воздухонепроницаеый диск; 4 - механизм втягивания стенок реактивной ступени; 5 - удерживающие тяги управления положением задней кромки стенки реактивной ступени, соединенные с центробежным регулятором 6. Для повышения эффективности двигателя путем организации выгодного направления воздушного потока на несколько лопастей передней части установлен направляющий аппарат 7, свободно вращающийся на оси мачты и устанавливаемый каждый раз вдоль ветра с помощью лопасти флюгера 8, как показано на фиг.2.

На фиг.1 показаны действующие силы: W - сила ветра, Т - сила аэродинамической тяги на лопасти активной части, R - реактивная сила истечения воздуха из межлопастного канала и ее проекция - Р на перпендикуляр к радиусу действия.

Заявленное устройство устраняет недостатки рассмотренных аналогов и прототипа, так как преобразует не только кинетическую, но и потенциальную энергию набегающего воздушного потока и обеспечивает эффективную работу двигателя при любых направлениях падающего потока.

Устройство работает следующим образом: двигатель устанавливают на неподвижную мачту высотой не менее 10 метров над поверхностью моря, ось двигателя направлена вертикально. Флюгер 8 разворачивает входные отверстия направляющего аппарата 7 таким образом, что направление вектора скорости воздушного потока оптимально для ближайших к входным отверстиям лопастей 1 и препятствует боковым потокам, возникающим, например, в результате отражения от каких-либо поверхностей или имеющим турбулентную природу. Такие потоки меньшей интенсивности, чем поток, вращающий флюгер, направлены под значительным углом к нему и оказывают тормозящий эффект, понижая эффективность работы двигателя. Энергия поступающего на лопасти ветрового потока преобразуется двигателем в энергию вращательного движения активно-реактивной турбины, которое, в свою очередь, может быть преобразовано в иные виды энергии. Автоматическое управление работой двигателя при изменении интенсивности набегающего воздушного потока осуществляется с помощью центробежного регулятора 6, который с помощью удерживающих тяг 5 уменьшает объем реактивной части двигателя при значительном увеличении силы ветра и увеличивает их при его уменьшении.

Предложенный воздушный двигатель может быть смонтирован из стандартных узлов и деталей.

Литература

1. А.С.Енохович. Физика, техника, производство. - М.: Наука, 1962, - 307 с.

2. Вертикально-осевая ветроэнергетическая установка ВЭУ «ЕСО-0020», проспект Ассоциации «Львiв-Контакт», 290005, Украина, Львов, Петрушевича, 3.