Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR A STEAM VORTEX TRANSFORMATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/123924
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to wind-power engineering and makes it possible to form a swirling vortex stream, to reduce a blade aerodynamic drag, to increase a stream kinetic energy and to reduce a converter power losses. The inventive method for a stream vortex transformation consists in guiding an input three-dimensional stream towards the internal concave blade surfaces (7) and in forming vortex cords thereon with the aid of vortex cord formers (8) which are arranged at an angle to the blade axis of rotation. A vortex converter comprises an axis and helical blades connected thereto with the aid of steppedly arranged holders and posts. The blade is a thin-shaped, has an aerodynamic profile shape and consists of at least two layers connected to each other. The vortex cord formers (8) are arranged on the internal concave surface (7) of a collecting layer across the blade and the cross section thereof is embodied in a saw-like form and has asymmetrical sides, the smallest of which is caved-in in an arc-like manner.

Inventors:
Poleacov, Mihail (ul. G. Aleksandrescu 6, 53 Kishinev, 2008, MD)
Poleacova, Nina (ul. G. Aleksandrescu 6, 53 Kishinev, 2008, MD)
Application Number:
PCT/MD2006/000003
Publication Date:
November 23, 2006
Filing Date:
May 18, 2006
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
Poleacov, Mihail (ul. G. Aleksandrescu 6, 53 Kishinev, 2008, MD)
Poleacova, Nina (ul. G. Aleksandrescu 6, 53 Kishinev, 2008, MD)
International Classes:
F03D5/00
Domestic Patent References:
WO2004067957A1
Foreign References:
RU2148185C1
RU2115019C1
RU2101558C1
SU1150395A11985-04-15
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения
1. Способ вихревого преобразования потока, включающий направление входящего потока на внутреннюю поверхность стационарного устройства и закручивание потока с помощью винтовых направляющих, отличающийся тем, что увеличивают кинетическую энергию входящего потока вихревыми шнурами, которые формируются с помощью формирователей шнуров, расположенных под углом к оси вращения лопастей, каждая из которых выполнена тонкой, и содержит, по меньшей мере два слоя, соединенных между собой, и закрепленных на оси вращения с осевым просветом, при этом профиль поперечного сечения лопасти выполнен в форме кривой, близкой к форме эффективного аэродинамического профиля, описываемого выражением L/D =2.5, где L длина горизонтальной проекции профиля , D диаметр вписанной окружности, с коррекцией формы, зависящей от эластичности композитного материала внутреннего слоя лопасти выполненной тонкой, обусловленной предварительным напряжением элементов внутреннего слоя лопасти в местах крепления к элементам несущих конструкций; профиль оканчивается обтекателем закрылком, кривизна которого возрастает к оси вращения, а формирователи вихревых шнуров ориентированы в направлении входящего потока, выполнены сходящимися к оси вращения лопастей, и их торцевые кромки имеют форму убывающего профиля, поперечное сечение каждого формирователя выполнено пилообразным с несимметричными сторонами, меньшая из которых дугообразно вогнута, при этом в момент отрыва потока с внутренних поверхностей лопастей в области оси вращения сопротивление среды снижается, и сильно закрученная вихревая струя, сформированная в области оси вращения, разрушается встречным осевым потоком.
2. Вихревой преобразователь потока, содержащий ось вращения и одну или более винтовую лопасть, которые выполнены дугообразными в поперечном сечении и связаны с осью посредством ярусно расположенных держателей и стоек, отличающийся тем, что лопасти, держатели и стойки выполнены предварительно напряженными образуя интегрированную напряженную структуру; каждая лопасть выполненная тонкой и содержит, по меньшей мере два слоя, соединенных между собой, и закреплена на оси вращения с осевым просветом, при этом профиль поперечного сечения лопасти выполнен в форме кривой, близкой к форме эффективного аэродинамического профиля, описанного выражением L/D = 2.5 , где L длина горизонтальной проекции профиля , D диаметр вписанной окружности, с коррекцией формы зависящей от эластичности композитного материала внутреннего слоя лопасти, обусловленной предварительным напряжением элементов внутреннего слоя лопасти в местах крепления к элементам несущих конструкций; профиль оканчивается обтекателем закрылком, кривизна которого возрастает к оси вращения; на внутренней вогнутой поверхности сборного слоя расположены формирователи вихревых шнуров, ориентированные в направлении входящего потока и сходящиеся к оси вращения, причем поперечное сечение формирователя пилообразное с несимметричными сторонами, меньшая из которых дугообразно вогнута, а торцевые кромки формирователя выполнены в форме асимптотически убывающего профиля.
3. Вихревой преобразователь потока по п.2. отличающийся тем, что профиль его аэродинамической проекции имеет узкоцилиндрическую форму с конусной оконечностью с одной стороны по правилу филлотаксиса.
4. Вихревой преобразователь потока по п.2. отличающийся тем, что профиль его аэродинамической проекции имеет веретенообразную форму по правилу филлотаксиса.
5. Вихревой преобразователь потока по п.2. отличающийся тем, что профиль его аэродинамической проекции имеет конусовидную форму по правилу филлотаксиса.
6. Вихревой преобразователь потока по п.п. 25, отличающийся тем, что ось вращения ротора совпадает с направлением входящего потока.
7. Вихревой преобразователь потока по п.п. 26, отличающийся тем, что ось вращения ротора не совпадает с направлением входящего потока.
8. Вихревой преобразователь потока по п.п.27, отличающийся тем, что форма каждого отдельного элемента сборного слоя имеет форму, близкую к форме трапеций.
9. Вихревой преобразователь потока по п.п.28, отличающийся тем, что меньшая дугообразно вогнутая сторона формирователя вихревых шнуров, являющаяся рабочей, ориентирована навстречу отраженному от внутренней поверхности лопасти потоку при вертикальном расположении оси вращения ротора. Ю.Вихревой преобразователь потока по п.п.29, отличающийся тем, что держатели лопастей расположены на оси вращения по винтовой линии с переменным угловым смещением по правилу филлотаксиса.
Description:
Способ и устройство вихревого преобразования потока

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к роторам ветровых турбин для преобразования энергии ветра в механическую и электрическую энергию, и может быть использовано в конструкциях вихревых аппаратов для фазового и компонентного разделения смесей; в гидротехнике - в конструкциях насосов, турбин и гидротехнических устройств; в конструкциях вихревых сепараторов и ректификаторов газовых, газо-конденсатных и пылегазовых смесей; в авиации и судостроении в конструкциях движущих винтов и турбин; в конструкциях вихревых карбюраторов и эжекторов; в устройствах моделирования вихревых процессов и измерительных устройств.

Известен способ вихревого преобразования потока, включающий направление входящего потока на внутреннюю поверхность стационарного устройства и закручивание потока с помощью винтовых направляющих. [1]

Однако известный способ обладает недостаточной степенью закрутки потока и соответственно меньшими энергетическими возможностями.

Задачей изобретения является повышение эффективности вихревого преобразования потока; в повышении мощности и надежности устройства.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ вихревого преобразования потока, включающий направление входящего потока на внутренние вогнутые поверхности лопастей и формирование вихрей на этих поверхностях. При этом увеличивают кинетическую энергию входящего потока вихревыми шнурами, которые формируют с помощью формирователей вихревых шнуров, расположенных на внутренней поверхности лопастей под углом к оси вращения.

Каждая лопасть, выполненная тонкой [2], содержит, минимум два слоя, соединенных между собой, и закреплена на оси вращения с осевым просветом.

Профиль поперечного сечения лопасти выполнен в форме сложной кривой, близкой к форме эффективного аэродинамического профиля, описанного математическим выражением: L/D = 2.5, где L - длина горизонтальной проекции профиля, а D - диаметр вписанной окружности [ 3 ], с естественной коррекцией формы, зависящей от эластичности композитного материала внутреннего слоя лопасти, обусловленного предварительным напряжением элементов внутреннего слоя лопасти в местах крепления к элементам несущих конструкций. Профиль оканчивается обтекателем - закрылком, кривизна которого возрастает к оси вращения. [ 4 ], [ 5 ].

Формирователи вихревых шнуров ориентированы в направлении входящего потока, выполнены сходящимися к оси вращения, а их торцевые кромки выполнены , в форме асимптотически убывающего профиля.

Поперечное сечение каждого формирователя выполнено пилообразным с несимметричными сторонами, меньшая из которых дугообразно вогнута.

При отрыве потока с внутренней поверхности лопасти в области оси вращения происходит объединение сходящих вихревых шнуров, [14] при этом сопротивление среды существенно снижается, [6] а сильно закрученная вихревая струя, сформированная объединенными вихрями в области оси вращения, разрушается встречным осевым течением [7] .

Известна конструкция ротора для ветровых и водяных турбин с двумя пустотелыми лопастями и аэродинамическим профилем параболического или спиральной формы, с осевым просветом, без закрутки вокруг оси [8].

Недостатком известной конструкции является невысокая эффективность, а также недостаточная прочность.

Известен ветродвигатель, содержащий вертикальную ось и связанные с ней винтовые, дугообразные в поперечном сечении, по меньшей мере, две- лопасти. Каждая лопасть собрана из горизонтально расположенных полос, большие стороны

которых размещены внахлест, а меньшие жестко закреплены на боковых образующих. Поперечное сечение лопасти может быть полукруглым [9].

Недостатки известного ветродвигателя обусловлены ограниченными возможностями при конструировании и эксплуатации ветродвигателей большой мощности.

Полукруглое поперечное сечение лопасти ветродвигателя имеет значительный коэффициент лобового аэродинамического сопротивления, что приводит к потере мощности ветродвигателя и возникновению перегрузок в узлах и конструкциях ветродвигателя.

Задача, которую решает предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности и надежности устройства вихревого преобразования потока, например при использовании в районах с относительно низкими среднегодовыми величинами скорости ветра, а также при экстремальных ветровых нагрузках.

Поставленная задача решается тем, что предложен вихревой преобразователь потока, содержащий ось вращения и одну или более винтовую лопасть, которая выполнена тонкой, дугообразной в поперечном сечении и связана с осью посредством ярусно расположенных держателей и стоек.

Лопасти, держатели и стойки выполнены предварительно напряженными, образуя интегрированную напряженную структуру [ 1O ] 5 [ I l ] , чем достигается повышение прочности.

Каждая лопасть содержит, по меньшей мере, два слоя соединенных между собой, и закрепленных на оси вращения с осевым просветом.

Профиль поперечного сечения лопасти выполнен в форме сложной кривой, близкой к форме эффективного аэродинамического профиля, описанного математическим выражением L/D = 2.5 , где L - длина горизонтальной проекции профиля, D - диаметр вписанной окружности, с естественной коррекцией формы, зависящей от эластичности материала внутреннего слоя лопасти, обусловленной предварительным напряжением элементов внутреннего слоя лопасти в местах

крепления к элементам несущих конструкций, профиль оканчивается обтекателем - закрылком, кривизна которого возрастает к оси вращения.

На внутренней вогнутой поверхности сборного слоя в поперечном сечении лопасти выполнены формирователи вихревых шнуров, ориентированные в направлении входящего потока и сходящиеся к оси вращения ротора.

Поперечное сечение каждого из формирователей выполнено пилообразным с несимметричными сторонами, меньшая из которых дугообразно вогнута, а торцевые кромки каждого формирователя выполнены в форме асимптотически убывающего профиля.

Профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя может быть конусовидным, узкоцилиндрическим с конусной оконечностью с одной стороны или веретенообразным - по правилу филлотаксиса. [12]

Ось вращения может совпадать с направлением входящего потока, или не совпадать с ним.

Форма каждого отдельного элемента сборного слоя может иметь форму, близкую к форме трапеций.

Меньшая дугообразно вогнутая сторона формирователя вихревых шнуров, являющаяся рабочей, ориентирована навстречу отраженному от внутренней поверхности лопасти потоку, при вертикальном расположении оси вращения ротора.

Держатели лопастей расположены на оси вращения по винтовой линии с переменным угловым смещением по правилу филлотаксиса.

Выполнение винтовой лопасти тонкой, предварительно напряженной, с переменным шагом закрутки и профилем поперечного сечения, выполненным в форме сложной кривой, близкой к форме, описанной математическим выражением L/D= 2.5 с естественной коррекцией формы зависящей от эластичности материала внутреннего слоя лопасти обусловленной предварительным напряжением элементов внутреннего слоя лопасти в местах крепления к элементам несущих конструкций лопасти, оканчивающимся обтекателем - закрылком, кривизна которого возрастает к

оси вращения, а также содержащей два слоя, соединенных между собой, один из которых, наружный, с гладкой поверхностью, а другой, сборный слой, снижает аэродинамическое сопротивление лопасти и позволяет сформировать сильно закрученную вихревую струю.

Наличие, расположенных на поверхности сборного слоя лопастей, формирователей вихревых шнуров, сечение каждого из которых пилообразное, с несимметричными сторонами, с меньшей дугообразно вогнутой стороной, обращенной навстречу отраженному от внутренней поверхности лопасти потоку, обуславливает возрастание кинетической энергии, а ориентирование их в направлении входящего потока и сходящимися к оси вращения, при объединении сходящих с внутренней поверхности лопасти вихревых шнуров, создает условия формирования "кризиса волнового сопротивления", что приводит к существенному снижению потерь мощности на выходе потока. Экспериментально зарегистрировано встречное осевое течение в области оси вращения, разрушающее сильно закрученную вихревую струю, что дополнительно снижает потери мощности на выходе потоков. [13]

Выполнение торцевых кромок каждого формирователя в виде асимптотически убывающего профиля на входе потока - снижает аэродинамическое сопротивление, а на выходе, в зоне отрыва потока - снижает уровень акустических колебаний.

Результат изобретения состоит в формировании сильно закрученной вихревой струи, в снижении лобового аэродинамического сопротивления лопастей, в увеличении кинетической энергии потока на внутренней поверхности лопастей посредством системы вихрей, сформированных формирователями вихревых шнуров, снижении потерь при объединении сходящих с внутренних поверхностей лопастей вихревых шнуров и разрушении сильно закрученной вихревой струи встречным осевым течением, зарегистрированным экспериментально, что дополнительно снижает потери мощности на выходе потоков из преобразователя. Конструктивные элементы преобразователя потока: держатели, стойки и лопасти выполнены предварительно напряженными, образуя интегрированную напряженную структуру, обеспечивающую условия прочности при экстремальных нагрузках.

Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1...17, на которых изображено:

фиг.l. Вихревой преобразователь потока конусовидной формы с одной винтовой лопастью при положении оси вращения не совпадающей с направлением входящего потока, общий вид;

фиг.2. Поперечное сечение фиг, 2;

фиг.З. Вид А фиг.l;

фиг.4. Сечение B-B фиг.l;

фиг.5. Аэродинамический профиль лопасти;

фиг.6. Конусовидный профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потоков при положении оси вращения не совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.7. Узкоцилиндрический с конусной оконечностью профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потоков при положении оси вращения не совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.8. Веретенообразный профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потоков при положении оси вращения не совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.9. Конусовидный профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потоков при положении оси вращения совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.10. Узкоцилиндрический с конусной оконечностью профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потоков при положении оси вращения совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.11. Веретенообразный профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потоков при положении оси вращения совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.12. Вихревой преобразователь потока конусовидной формы с двумя винтовыми лопастями при положении оси вращения не совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.13. Поперечное сечение фиг.12;

фиг.14. Вихревой преобразователь потока конусовидной формы с тремя винтовыми лопастями при положении оси вращения не совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.15. Поперечное сечение фиг.14;

фиг.16. Вихревой преобразователь потока конусовидной формы с четырьмя винтовыми лопастями при положении оси вращения, не совпадающей с направлением входящего потока;

фиг.17. Поперечное сечение фиг.16;

Вихревой преобразователь потока содержит ось 1 и одну или более винтовую лопасть 2, которая выполнена тонкой, дугообразной в поперечном сечении, и связана с осью 1 ярусно расположенными держателями 3. Держатели закреплены на оси вращения 1 по винтовой линии с переменным угловым смещением по правилу филлотаксиса. К держателям 3 соосно прикреплены стойки 4, которые фиксируют наружные кромки лопастей 2.

Ось вращения 1 может совпадать с направлением входящего потока или не совпадать с ним.

Лопасти 2, держатели 3 и стойки 4 выполнены предварительно напряженными, образуя интегрированную напряженную структуру вихревого преобразователя потоков, обеспечивающую условия прочности при экстремальных нагрузках.

Профиль поперечного сечения лопасти выполнен в форме сложной кривой, близкой к форме эффективного аэродинамического профиля, описанного математическим выражением L/D = 2.5 , где L - длина горизонтальной проекции профиля, D - диаметр вписанной окружности, с естественной коррекцией формы в местах крепления к элементам несущих конструкций, зависящей от эластичности материала внутреннего слоя лопасти, обусловленного предварительным напряжением элементов внутреннего слоя лопасти в местах крепления к элементам несущих конструкций лопасти. Профиль оканчивается обтекателем - закрылком 5, кривизна которого возрастает к оси вращения 1.

Лопасть 2 содержит, по меньшей мере, два слоя, соединенных между собой, один из которых, наружный 6 с гладкой внешней выпуклой поверхностью, другой сборный слой 7, выполнен из отдельных элементов, боковые кромки которых соединены между собой. Форма каждого отдельного элемента сборного слоя 7 лопасти 2 близка к форме трапеций. На внутренней вогнутой поверхности сборного слоя 7 поперек * каждой лопасти расположены формирователи вихревых шнуров 8, ориентированные в направлении входящего потока и сходящихся к оси вращения 1. Поперечное сечение каждого формирователя 8 пилообразное с несимметричными сторонами 9 и 10, причем меньшая сторона 9, являющаяся рабочей, дугообразно вогнута, а торцевые кромки каждого формирователя выполнены в форме асимптотически убывающего профиля.

При вертикальном расположении оси вращения 1 меньшая сторона 9 формирователя вихревых шнуров 8 ориентирована вверх - навстречу отраженному от внутренней поверхности лопасти 7 входящему потоку.

Профиль аэродинамической проекции вихревого преобразователя потока может иметь конусовидную форму, узкоцилиндрическую форму с конусной оконечностью с одной стороны, а также веретенообразную форму по правилу филлотаксиса.

Предлагаемый способ вихревого преобразования потоков реализован следующим образом.

Вход потока.

Входящий трехмерный поток попадает на винтовую лопасть 2, расположенную с осевым просветом относительно оси вращения 1, формируя сильно закрученную вокруг оси вихревую струю, с зарегистрированной экспериментально зоной обратных токов вдоль всей оси вращения. При этом, с целью уменьшения лобового аэродинамического сопротивления поверхности тела вращения, лопасть 2 выполнена тонкой, с аэродинамическим профилем поперечного сечения в форме сложной кривой, близкой к форме эффективного аэродинамического профиля описанного математическим выражением L/D = 2.5, где L - длина горизонтальной проекции кривой, D - диаметр вписанной окружности, с естественной коррекцией формы, при этом профиль лопасти оканчивается обтекателем - закрылком 5, кривизна которого возрастает к оси вращения ротора 1.

Преобразования потока на внутренних поверхностях вихревого преобразователя потока.

С целью эффективного использования энергии входящего потока на внутренней вогнутой поверхности 7 лопасти 2 выполнены формирователи вихревых шнуров 8, сходящиеся под острым углом к оси вращения 1 вихревого преобразователя потоков. При этом кинетическая энергия среды на внутренней поверхности лопастей возрастает. Использование обтекателя - закрылка, отклоняющего потоки на внутренней поверхности лопастей, дополнительно увеличивает вращение лопастей.

Формирование вихревых шнуров на внутренней вогнутой поверхности 7 лопасти 2 с одинаковым направлением их закрутки, в соответствии с законом объединения вихревых шнуров, образует, при отрыве вихрей более крупные вихри, вращающиеся относительно середины расстояния между ними - для случая двух вихрей. При этом проявляется эффект "кризиса сопротивления ": сопротивление среды в области отрыва потока существенно снижается. В области отрыва потока наружная выпуклая поверхность б имеет обтекатель- закрылок 5, кривизна которого возрастает к оси вращения 1. При этом происходит " гладкий " отрыв потока от наружной выпуклой поверхности 6 лопасти 2, то есть выполняется "условие Бриллюэна", при этом "гладкий " отрыв потока с наружной выпуклой поверхности лопастей минимизирует

воздействие на условия формирования "кризиса сопротивления" при отрыве вихрей от внутренней вогнутой поверхности лопастей.

Выход потоков.

Закрученный вокруг оси вращения 1 вихревой поток направляется вниз по оси вращения в направлении закрутки лопастей.

Авторами методом внесения краски в область выхода закрученного потока в нижней области оси вращения 1 экспериментально установлено наличие возвратного вихревого течения вдоль всей оси вращения 1, что позволяет классифицировать степень закрутки осевых потоков как сильно закрученные.

Описание работы вихревого преобразователя потока осуществлено на основании экспериментальных данных и теоретических обоснований механизмов преобразований вихревых структур, при этом механизм распада вихря как возмущения, характеризуется возникновением на оси вихря точки, за которой расположена прилегающая к оси вращения ограниченная область возвратного течения. [13]. При этом распад вихря существенно снижает потери на выходе потоков.

Библиографические ссылки:

1. Patent AT 117749 В ,,Strahlturbine strаhlturbiпе" Sсhаubеrgеr Viktоr 1930-05-10.

2. Г. Биркгоф, "Гидродинамика " Издательство " Иностранная литература " Москва 1963 стр. 35 - 37.

3. Dr.-Iпg. WoIf Неiпriсh Нuсhо, ,,Aerodynamik dеs Аutотоbils" Vоgеl-Vеrlаg, Wϋrzburg, р. 70.

4. Г. Биркгоф "Гидродинамика " Издательство " Иностранная литература " Москва, 1963 , стр. 97-99.

5. Реферат " Аэродинамика самолета ", стр.18

6. CH. Постоловский, К.П.Ильичев, " О кризисе аэродинамического сопротивления " Москва. Энергетическое машиностроение, НИИЭ информэнергомаш , 1983, 1-83-01, стр. 15-16.

И

7. Lеibоviсh Sidпеу, " Тhе stшсturе оf vоrtех brеакdоwп ". Аппuаl Rеviеw оf Fluid Месhапiсs f978, vоl 10, p.221-246.

8. Patent FI 27163 " Rоtоr fоr wiпd апd wаtеr turbiпе ", Sigurd J. Sаvопius, 12.12.1924.

9. Патент МД 1513F " Ветродвигатель (варианты) ", М.Поляков, Н.Полякова, 2000-07-31.

10. Donald E. Iпgbеr, " Тhе Аrсhitесturе оf Lifе ". Sсiепtifiс Аmеriсап . Jапuаrу 1988, p.48 - 57.

11. Rоbеrt Williаm Вurkhаrdt, Jr., "А Рrасtiсаl Guidе tо Тепsеgritу Dеsigп", 2- пd еditiоп, 2005.

12. Джан P.B., " Филлотаксис: Системное исследование морфогенеза растений", (перевод с англ.). Издательство ИКИ, 2006 .

13. С.Лейбович, " Распад вихря ", cтp.160, Сборник "Вихревые движения жидкости", Изд. "Мир", Москва, 1979.

14. Прандтль Л., Титьенс О., Тидро- и аэромеханика", Гостехтереоиздат, 1933.