RU2743564C1 - Vane engine - Google Patents

Abstract

FIELD: energy.SUBSTANCE: invention relates namely to a vane engine capable of converting the energy of a fluid medium into electricity. It consists of a rotor shaft 1, on which two end disks are fixedly fixed, consisting of a rim 2, a hub 9 and spokes 10. Between the disks at a radius of 8 from the rotor axis, the swing axes 6 of the blades 3 of the aerohydrodynamic profile are installed. The control device is an eccentric mechanism, which consists of a free ring 4, a shaft 1 and rods 5, movably fixed to the ring 4 and the blade 3. The size of the rods 5 and the inner diameter of the ring 4 sets the angles of the blades 3 to the oncoming flow 7 along the rotor rotation cycle.EFFECT: increased efficiency of converting the kinetic energy of translational motions of convection air and liquid flows into the kinetic energy of the rotary motion of the shaft, while orienting the axis of rotation of the rotor perpendicular to the incoming flow.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, а именно к устройству для преобразования энергии, а более конкретно к устройству, способному преобразовывать энергию текучей среды в электроэнергию.The invention relates to the field of energy, namely to a device for converting energy, and more specifically to a device capable of converting energy of a fluid medium into electrical energy.

Существуют различные типы преобразователей энергии скоростного потока однофазной текучей среды (воды, ветра). Это водяные колеса, гидравлические турбины, ветряные установки пропеллерного типа, у которых турбинные колеса различной конфигурации или отдельные лопасти вращаются вместе с валом, кинематически связанным с преобразователем механической энергии вращения в другие виды энергии (электрическим генератором, насосом и т.п.).There are various types of single-phase fluid (water, wind) high-speed flow energy converters. These are water wheels, hydraulic turbines, propeller-type wind turbines, in which turbine wheels of various configurations or individual blades rotate together with a shaft that is kinematically connected to the converter of mechanical rotation energy into other types of energy (electric generator, pump, etc.).

Известна ветровая турбина с вертикальной осью (VAWT), (заявка WO2019023005 (A1), 2019-01-31, F03D3/00; F03D80/70), которая включает в себя вертикальную башню, имеющую вертикальную ось башни, генератор, причем генератор включает в себя предохранительный расцепитель, расположенный для включения режима свободного вращения, когда выходная мощность генератора достигает порогового значения, множество подшипников, расположенных концентрически относительно вертикальной оси башни и расположенных вдоль вертикальной башни, и ротор, имеющий множество рычагов ротора и множество вертикальных лопастей ротора, где проксимальный конец каждого рычага ротора радиально соединен с подшипником где дистальный конец каждой лопасти соединен с плечами ротора.Known vertical axis wind turbine (VAWT), (application WO2019023005 (A1), 2019-01-31, F03D3 / 00; F03D80 / 70), which includes a vertical tower having a vertical axis of the tower, a generator, and the generator includes itself a safety release located to engage free rotation when the generator output reaches a threshold, a plurality of bearings located concentrically with respect to the vertical axis of the tower and located along the vertical tower, and a rotor having a plurality of rotor arms and a plurality of vertical rotor blades where the proximal end is of each rotor arm is radially connected to a bearing where the distal end of each blade is connected to the rotor arms.

К недостаткам известного технического решения относится следующее: отсутствие боковых поверхностей вращающегося цилиндра, что не дает возможности организовать поток рабочего тела с боков вращающегося цилиндра как насоса; отсутствие механизма управления углов атаки лопастей по циклу вращения с целью оптимизации отбора мощности от протекающей среды.The disadvantages of the known technical solution include the following: the absence of lateral surfaces of the rotating cylinder, which makes it impossible to organize the flow of the working fluid from the sides of the rotating cylinder as a pump; lack of a mechanism for controlling the angles of attack of the blades along the rotation cycle in order to optimize the power take-off from the flowing medium.

Известен Роторно-крыльчатый двигатель для конвекционных воздушных и жидкостных потоков, (патент РФ 2300011, МПК F03D3/00, оп. 2007.05.27), содержащий крылья, выполненные из профилированных лопастей, соединенных через наконечник со ступицей, вращающийся вал, на котором укреплена ступица, причем крылья смещены относительно друг друга, отличающийся тем, что крылья расположены параллельно друг другу относительно оси вертикального вращающегося вала и смещены относительно друг друга вдоль размаха крыльев так, что наконечник крыла расположен на расстоянии от оси вертикального вращающегося вала на большем, чем расстояние от наконечника крыла до максимального горизонтального поперечного сечения аэродинамического профиля лопасти, а лопасти, имеющие вдоль и поперек вогнуто-выпуклые аэродинамические профили с переменными углами наклона к плоскости вращения, перпендикулярной оси вертикального вращающегося вала, изогнуты вдоль и поперек размаха крыльев по экспоненциальной кривой и направлены отогнутыми вдоль размаха крыльев концами в противоположные стороны относительно оси вертикального вращающегося вала, при этом чем более удален аэродинамический профиль вдоль размаха крыла от оси вертикального вращающегося вала, тем больше угол наклона аэродинамического профиля к плоскости вращения.Known rotary vane engine for convection air and liquid flows (RF patent 2300011, IPC F03D3 / 00, op. 2007.05.27), containing wings made of profiled blades connected through a tip with a hub, a rotating shaft on which the hub is fixed , and the wings are displaced relative to each other, characterized in that the wings are parallel to each other relative to the axis of the vertical rotating shaft and are offset relative to each other along the wingspan so that the wing tip is located at a distance from the axis of the vertical rotating shaft at a greater than the distance from the tip wing to the maximum horizontal cross-section of the airfoil of the blade, and the blades having concave-convex airfoils along and across with variable angles of inclination to the plane of rotation perpendicular to the axis of the vertical rotating shaft are bent along and across the wingspan along an exponential curve and are directed bent with ends along the wingspan in opposite directions relative to the axis of the vertical rotating shaft, and the more distant the aerodynamic profile along the wing span from the axis of the vertical rotating shaft, the greater the angle of inclination of the aerodynamic profile to the plane of rotation.

К недостаткам известного технического решения относится следующее:The disadvantages of the known technical solution include the following:

1. Профиль лопасти сложной конфигурации, вместо простого симметричного профиля нашего устройства.1. A blade profile of a complex configuration, instead of a simple symmetrical profile of our device.

2. Отсутствует механизм управления углов атаки лопастей.2. There is no mechanism for controlling the angles of attack of the blades.

Известно Устройство для производства электроэнергии с использованием энергии ветра (патент 2463476, МПК F03D 3/00, оп. 10.10.2012), включающее в себя лопастное устройство, которое может вращаться относительно основания для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения и имеет вертикальную ось, соединенную с вертикальными пластинами и соединенную с генератором в основании для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию. Каждая лопасть имеет находящиеся на расстоянии ребра для улавливания ветра, продолжающиеся вертикально от первой боковой поверхности, образуя пространство для улавливания ветра между двумя любыми смежными ребрами для улавливания ветра. Узел улавливания ветра включает в себя вертикальные пластины, смонтированные на основании и равномерно расположенные под углом, и помещенные вокруг лопастного устройства. Любые две смежные пластины образуют между собой сужающийся во внутреннем направлении канал для направления ветра. Пластины не являются плоскими, так что ветер, который направляется пластинами, обдувает первые боковые поверхности лопастей через каналы для направления ветра. К недостаткам известного технического решения относится следующее:A device for generating electricity using wind energy is known (patent 2463476, IPC F03D 3/00, op.10.10.2012), which includes a blade device that can rotate relative to the base for converting wind energy into mechanical energy of rotation and has a vertical axis, connected to vertical plates and connected to a generator at the base to convert mechanical rotational energy into electrical energy. Each blade has spaced wind-catching ribs extending vertically from the first lateral surface to form a wind-catching space between any two adjacent wind-catching ribs. The wind catcher assembly includes vertical plates mounted on the base and evenly spaced at an angle, and placed around the blade device. Any two adjacent plates form an inwardly tapering wind channel. The plates are not flat, so that the wind that is guided by the plates blows the first side surfaces of the blades through the wind channels. The disadvantages of the known technical solution include the following:

1. Устройство использует узел для предварительного формирования потока текучей среды как входной направляющий аппарат, который необходимо ориентировать по направлению потока.1. The device uses a fluid flow pre-shaping unit as an inlet guide vane to be oriented in the direction of flow.

2. Отсутствует механизм управления углов атаки лопастей по циклу вращения.2. There is no mechanism for controlling the angles of attack of the blades according to the rotation cycle.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является крыльчатый движитель цилиндрического вида (патент РФ №2720699 от 09.04.2019, МПК В64С 29/00, оп. 12.05.2020). содержащий вращающийся на валу ротор цилиндрического вида, поверхность которого образуют крылообразные лопасти, расположенные на равных угловых расстояниях, с вращением вокруг оси цилиндра и качанием вокруг собственных осей, при этом каждая лопасть обеспечена тягой привода ее качания, шарнирно закрепленный к лопасти, состоит из торсионов, соединенных с торцевыми дисками для вращения и передачи крутящего момента, имеющих радиальные спицы, жестко закрепленные одним концом на торсионе, соединенные другим концом с осями, на которых шарнирно качаются лопасти, механизм изменения циклических углов, выполненный в виде радиально подвижного эксцентрика, вокруг которого вращается узел с шарнирно закрепленными тягами привода качания лопастей, синусного механизма, управляющего отклонением закрылка относительно лопасти, являющегося исполнительным механизмом устройства, управляющего геометрией, конфигурацией взаимного расположения профилей лопастей и закрылков, расположенным на торцевых сторонах лопастей и на ободе торцевого диска, состоящего из кулисы, установленной одним концом на ободе торцевого диска, другим концом подвижно соединенной с ползуном, жестко соединенным с закрылком, имеющим возможность вращения на оси лопасти, при этом лопасти и закрылки сбалансированы элементами относительно собственных осей вращения.The closest to the proposed invention in terms of the technical essence and the achieved result is a cylindrical vane propeller (RF patent No. 2720699 dated 09.04.2019, IPC В64С 29/00, op. 12.05.2020). containing a cylindrical rotor rotating on a shaft, the surface of which is formed by wing-shaped blades located at equal angular distances, with rotation around the axis of the cylinder and swinging around its own axes, while each blade is provided with a rocking drive rod, hinged to the blade, consists of torsion bars, connected to the end discs for rotation and transmission of torque, having radial spokes rigidly fixed at one end to the torsion bar, connected by the other end to the axes on which the blades swing pivotally, a mechanism for changing the cyclic angles, made in the form of a radially movable eccentric, around which the unit rotates with articulated rods of the rocking blade drive, a sinus mechanism that controls the deflection of the flap relative to the blade, which is an actuator of the device that controls the geometry, the configuration of the mutual arrangement of the blade and flap profiles, located on the end sides of the blade and on the rim of the end disk, consisting of a link mounted at one end on the rim of the end disk, the other end movably connected to a slider rigidly connected to a flap that can rotate on the blade axis, while the blades and flaps are balanced by elements relative to their own axes of rotation.

Недостатком прототипа являетсяThe disadvantage of the prototype is

1. Отсутствие возможности использования кинетической энергии поступательного движения таких конвекционных потоков, как жидкостные.1. The inability to use the kinetic energy of the translational motion of such convection flows as liquid flows.

2. Сложно сочлененная лопасть со щелевым закрылком вместо простого симметричного профиля.2. A complexly articulated blade with a slotted flap instead of a simple symmetrical profile.

3. Механизм управления приводится в действие механически, а не автоматически как в предлагаемом устройстве.3. The control mechanism is driven mechanically, not automatically as in the proposed device.

Задача изобретения направлена на создание устройства, способного преобразовать кинетическую энергию текучей среды в механическую энергию вращения, далее преобразованную в электрическую энергию электрогенератором.The objective of the invention is directed to the creation of a device capable of converting the kinetic energy of a fluid into mechanical energy of rotation, then converted into electrical energy by an electric generator.

Технический результат от применения изобретения заключается в повышении эффективности устройства за счет преобразования кинетической энергии поступательных движений конвекционных воздушных и жидкостных потоков (вертикальные восходящие или нисходящие воздушные, жидкостные потоки при отсутствии горизонтальных потоков, горизонтальные воздушные, жидкостные потоки при отсутствии вертикальных потоков, одновременно существующие горизонтальные и вертикальные потоки, воздушные или жидкостные), в кинетическую энергию вращательного движения вала, при этом ориентируя ось вращения ротора перпендикулярно набегающему потоку.The technical result from the application of the invention is to increase the efficiency of the device by converting the kinetic energy of the translational movements of convection air and liquid flows (vertical ascending or descending air, liquid flows in the absence of horizontal flows, horizontal air, liquid flows in the absence of vertical flows, simultaneously existing horizontal and vertical flows, air or liquid), into the kinetic energy of the rotational motion of the shaft, while orienting the axis of rotation of the rotor perpendicular to the incoming flow.

Это достигается за счет того, что в крыльчатом двигателе цилиндрического вида, представляющем собой вращающийся с валом цилиндр, поверхность которого образуют крылообразные лопасти, расположенные на равных угловых расстояниях, с возможностью вращения вокруг оси цилиндра и качанием вокруг собственных осей, содержащем механизм изменения циклических углов, тягу привода качания лопасти, шарнирно закрепленную к ней, согласно изобретению, механизм изменения циклических углов, выполнен в виде кольца, имеющего свободу перемещения в плоскости, перпендикулярной валу, к которому шарнирно закреплены тяги привода качания лопастей, при этом длина тяг, внутренний диаметр кольца и диаметр вала в месте опоры кольца ограничивают углы отклонения лопастей, выполняя при этом функцию синусного механизма, управляющего отклонением совокупности лопастей.This is achieved due to the fact that in a cylindrical vane engine, which is a cylinder rotating with a shaft, the surface of which is formed by wing-shaped blades located at equal angular distances, with the ability to rotate around the cylinder axis and swing around its own axes, containing a mechanism for changing cyclic angles, the rod of the swing drive of the blade, pivotally attached to it, according to the invention, the mechanism for changing the cyclic angles is made in the form of a ring having freedom of movement in a plane perpendicular to the shaft, to which the rods of the swing drive of the blades are hinged, while the length of the rods, the inner diameter of the ring and the diameter of the shaft in the place of the ring support limits the angles of deflection of the blades, while performing the function of a sinus mechanism that controls the deflection of the set of blades.

Отличительной особенностью заявляемого технического устройства является то, что оно представляет собой конструкцию крыльчатого двигателя, функционально работающего как преобразователь энергии текучей среды.A distinctive feature of the claimed technical device is that it is a design of a vane engine, functionally working as a fluid energy converter.

Изобретение иллюстрируется рисунками.The invention is illustrated in drawings.

На Фиг. 1. представлен крыльчатый двигатель, общий вид.FIG. 1. shows a vane engine, general view.

На Фиг. 2 - то же, модуль из двух собранных крыльчатых двигателей.FIG. 2 - the same, a module of two assembled vane engines.

Позиции обозначают: вал 1; обод 2; лопасть 3; кольцо 4 механизма управления; тяга 5 механизма управления; ось качания 6 лопасти 3: направление потока текучей среды 7; радиус 8; ступица 9; спица 10; крыльчатый двигатель 11; ротор 12 генератора; статор 13 генератора.Positions indicate: shaft 1; rim 2; blade 3; ring 4 of the control mechanism; thrust 5 of the control mechanism; swing axis 6 of the blade 3: the direction of flow of the fluid 7; radius 8; hub 9; spoke 10; vane engine 11; generator rotor 12; generator stator 13.

Устройство состоит из вала 1 ротора 12, на котором неподвижно закреплены два торцевых диска, состоящих из обода 2, ступицы 9 и спиц 10. Между дисками на радиусе 8 от оси ротора установлены оси качания 6 лопастей 3 аэрогидродинамического профиля. Устройство управления является эксцентриковым механизмом, который состоит из свободного кольца 4, вала 1 и тяг 5, подвижно закрепленных к кольцу 4 и лопасти 3. Размером тяг 5 и внутреннего диаметра кольца 4 задаются углы установки лопастей 3 к набегающему потоку 7 по циклу вращения ротора.The device consists of the shaft 1 of the rotor 12, on which two end disks are fixedly fixed, consisting of the rim 2, the hub 9 and the spokes 10. Between the disks at a radius of 8 from the rotor axis, the swing axes 6 of the blades 3 of the aerohydrodynamic profile are installed. The control device is an eccentric mechanism, which consists of a free ring 4, a shaft 1 and rods 5, movably fixed to the ring 4 and the blade 3. The size of the rods 5 and the inner diameter of the ring 4 sets the angles of the blades 3 to the incoming flow 7 along the rotor rotation cycle.

Устройство работает следующим образом. Крыльчатый двигатель размещают в потоке среды, фиксируя его таким образом, чтобы ось вращения была перпендикулярна направлению набегающего потока, а рабочие лопатки располагались поперек потока с произвольным углом атаки.The device works as follows. The vane motor is placed in the flow of the medium, fixing it so that the axis of rotation is perpendicular to the direction of the incoming flow, and the rotor blades are located across the flow with an arbitrary angle of attack.

При натекании потока текучей среды 7 с любой стороны, но перпендикулярно оси 6 лопасти, лопасть 3 стремится, повернувшись на оси 6, встать по потоку. Но т.к. она ограничена тягой 5 к кольцу 4 механизма управления и ограничена диаметром вала 1, устанавливается на угол атаки, оптимальный для положения лопасти 3 на цикле вращения по окружности радиусом 8, создавая на валу момент силы, дающий мощность, которая снимается с вала и передается на ротор электрогенератора.When the flow of fluid 7 flows from either side, but perpendicular to the axis 6 of the blade, the blade 3 tends, having turned on the axis 6, to stand upstream. But since it is limited by the thrust 5 to the ring 4 of the control mechanism and is limited by the diameter of the shaft 1, is set to the angle of attack that is optimal for the position of the blade 3 on the rotation cycle around a circle with a radius of 8, creating a moment of force on the shaft, which gives power, which is removed from the shaft and transmitted to the rotor electric generator.

Модуль может быть собран из двух крыльчатых двигателей (Фиг. 2). Каждый следующий модуль вращается в обратном направлении от предыдущего модуля. Оба модуля, передавая вращение на статор и ротор генератора, увеличивают в два раза скорость вращения генератора.The module can be assembled from two vane motors (Fig. 2). Each next module rotates in the opposite direction from the previous module. Both modules, transmitting rotation to the stator and rotor of the generator, double the speed of rotation of the generator.

Claims (1)

Крыльчатый двигатель цилиндрического вида, представляющий собой вращающийся с валом цилиндр, поверхность которого образуют крылообразные лопасти, расположенные на равных угловых расстояниях, с вращением вокруг оси цилиндра и качанием вокруг собственных осей, содержащий механизм изменения циклических углов, тягу привода качания лопасти, шарнирно закрепленной к ней, отличающийся тем, что механизм изменения циклических углов выполнен в виде кольца, имеющего свободу перемещения в плоскости, перпендикулярной валу, к которому шарнирно закреплены тяги привода качания лопастей, при этом длина тяг, внутренний диаметр кольца и диаметр вала в месте опоры диска ограничивают углы отклонения лопастей, выполняя при этом функцию синусного механизма, управляющего отклонением совокупности лопастей.A cylindrical vane engine, which is a cylinder rotating with a shaft, the surface of which is formed by wing-shaped blades located at equal angular distances, with rotation around the cylinder axis and swinging around its own axes, containing a mechanism for changing cyclic angles, thrust for driving the swing of the blade, hinged to it , characterized in that the mechanism for changing the cyclic angles is made in the form of a ring that has freedom of movement in a plane perpendicular to the shaft, to which the rods of the rocking of the blades are pivotally fixed, while the length of the rods, the inner diameter of the ring and the diameter of the shaft at the place of the disk support limit the deflection angles blades, while performing the function of a sinus mechanism that controls the deflection of the set of blades.

Images