Турбины Магнуса

Содержание

RU86257U1 — Ветроустановка на основе эффекта магнуса — Google Patents

Publication number RU86257U1 RU86257U1 RU2009107562/22U RU2009107562U RU86257U1 RU 86257 U1 RU86257 U1 RU 86257U1 RU 2009107562/22 U RU2009107562/22 U RU 2009107562/22U RU 2009107562 U RU2009107562 U RU 2009107562U RU 86257 U1 RU86257 U1 RU 86257U1 Authority RU Russia Prior art keywords blade flow wind turbine wind magnus effect Prior art date 2009-03-04 Application number RU2009107562/22U Other languages English ( en ) Inventor Наталья Михайловна Комарова Original Assignee Наталья Михайловна Комарова Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2009-03-04 Filing date 2009-03-04 Publication date 2009-08-27 2009-03-04 Application filed by Наталья Михайловна Комарова filed Critical Наталья Михайловна Комарова 2009-03-04 Priority to RU2009107562/22U priority Critical patent/RU86257U1/ru 2009-08-27 Application granted granted Critical 2009-08-27 Publication of RU86257U1 publication Critical patent/RU86257U1/ru

Links

Espacenet
Global Dossier
Discuss

230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 32
238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 22
230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 7
102100001318 CLUAP1 Human genes 0.000 abstract 1
108060001663 CLUAP1 Proteins 0.000 abstract 1
238000009434 installation Methods 0.000 description 9
230000001965 increased Effects 0.000 description 3
238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 3
238000009987 spinning Methods 0.000 description 3
230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
239000002775 capsule Substances 0.000 description 2
230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
230000002708 enhancing Effects 0.000 description 2
238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
230000003068 static Effects 0.000 description 2
WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N Rhenium Chemical compound data:image/svg+xml;base64,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 data:image/svg+xml;base64,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 [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
230000002730 additional Effects 0.000 description 1
230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
230000000739 chaotic Effects 0.000 description 1
238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
238000010276 construction Methods 0.000 description 1
238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
239000000463 material Substances 0.000 description 1
238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
238000005293 physical law Methods 0.000 description 1
229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1

Classifications

- Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E — REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00 — Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70 — Wind energy
Abstract
1. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем, флюгер, радиальные лопасти в виде цилиндрических роторов, приводы для вращения роторов и электрогенератора, электродвигатель привода роторов, установленные дополнительно профилированные плоскости в виде лопастей сжатия, распределителя потока и реактивной лопасти вдоль каждого цилиндрического ротора, которые по отношению к самим роторам выполнены неподвижными и закреплены с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроколеса, отличающаяся тем, что лопасть переднего распределителя потока смещена от центра в сторону области торможения, а плоскость лопасти выполнена более вытянутой в сторону направления вращения цилиндра, содержит дополнительно лопасть сжатия потока, расположенную перед реактивной лопастью и выше нее по уровню относительно цилиндра, причем лопасть сжатия потока содержит не менее чем одну аэродинамическую щель вдоль плоскости лопасти, а лопасть сжатия выгнута на набегающий боковой поток. ! 2. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что щели лопасти сжатия потока выполнены таким образом, что каждая часть лопасти, которой они разъединены с торца, подобна по контуру фигуры другой части. ! 3. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.2, отличающаяся тем, что аэродинамический контур щелей выполнен с возможностью беспрепятственного пропуска набегающего бокового потока ветра и его ускорения, заданное по нужному направлению. ! 4. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что по периметру окружности цилин
Description
Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса, и предназначена для усиления эффекта Магнуса.
Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов Магнуса // пат. СССР 10198, F03D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F03B 5/00, F30D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F03D 5/00, 1984; а.с. 1677366, F03D 1/02, СССР, 1991 и др.).
Основные недостатки этих ВЭУ — достаточно сложные приводы для вращения цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде.
Известно устройство по патенту GB 248471 от 05.12.1924. Недостатком данного устройства следует считать отсутствие указаний на тип привода роторов от мотора, который выполнен по низкоэффективной червячной передаче крутящего момента, через полую громоздкую станину на конический редуктор. Такой принцип привода роторов приводит к возникновению обратной реакции ветроколеса, которая будет стремиться некоторое время, особенно на начальном этапе раскрутки, следовать за основным валом установки.
Эта же сила будет присутствовать постоянно как вредная, забирающая часть энергии аскрутки на себя. При этом в устройстве не указаны принципы отбора крутящего момента.
Известно устройство по патенту DE 3800070 А1 от 13.07.1989. Недостатком данного типа установки, работающей на принципе раскрутки роторов от встроенного спирального ускорителя, поток которого высвобождается через выпускные окна на концах цилиндров, следует считать то обстоятельство, что мощность установки такого типа будет достаточно низкой, т.к. раскрутка роторов от энергии ветра малоэффективна.
Известно устройство по патенту UA 63018 С2 от 15.01.2004. Недостатком является то, что для раскрутки роторов ветроколеса промышленного типа, когда необходимо достижение большого крутящего момента, данное устройство не эффективно, т.к. во-первых, автоматически возрастает громоздкость подобных конструкций при увеличении размеров ветроустановки, во-вторых, возникает вредная парусность, которая недопустима при шквалистых ветрах. Такие установки при ураганных ветрах становятся огромным парусом, и их конструкция может не выдержать напора воздуха. Кроме того, значительное усложнение конструкции приведет к повышению материалоемкости и цене всей установки. Чем больше деталей в конструкции, тем больше ее сложность и вероятность отказов. Установки такого типа пригодны только в качестве маломощных ветрогенераторов.
Известно устройство по патенту DE 3501807 А1 от 24.07.1986. Недостатком данного типа устройства является то, что сам способ раскрутки роторов в плане работоспособности находится под большим сомнением, т.к. есть некоторые противоречия в использовании эффекта Магнуса в данной конструкции.
Известно устройство по патенту AU 573400. Недостатком данного типа устройства следует считать то, что привод раскрутки роторов приводит во вращение и саму установку. У установки нет силовых элементов, предотвращающих вибрацию роторов. Приведены некоторые варианты раскрутки роторов, однако не предложена конкретная схема. Известно устройство по патенту US 4366386 от 28.12.1982. Недостатком данного типа устройства является максимальное усложнение конструкции при помощи огромного количества дифференциалов и систем шестеренок. В заявляемом устройстве этот момент обойден одним простым решением: электропривод роторов установлен непосредственно на редукторе самих роторов, максимально быстро и без потери энергии передавая крутящий момент.
К недостаткам всех вышеупомянутых аналогов следует отнести тот факт, что ни один из авторов данных патентов не выразил основную теоретическую сущность эффекта Магнуса, а именно то, что в его принципе скрыта очень неприметная деталь: взаимосвязь (по закону Бернулли) между статическим и динамическим давлениями на поверхности роторов. С помощью скоростного напора (pv2/2) в заявляемом способе происходит управление изменением «оболочки» — давления воздуха на ротор, то есть статической структуры.
Наиболее близким аналогом является патент RU 2333382. Данное решение принято за прототип. Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса. Способ усиления эффекта Магнуса характеризуется использованием ветроколеса с горизонтальным валом и обтекателем, радиальных лопастей в виде цилиндрических роторов, приводов для вращения роторов и электрогенератора, электродвигателя привода роторов. В ветроколесе устанавливают дополнительные профилированные плоскости в виде лопасти вдоль каждого цилиндрического ротора, которые по отношению к самим роторам делают неподвижными и крепят с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроколеса и/или по периметру окружности цилиндрического ротора вдоль его длины выполняют выемки в количестве не менее 8. По ходу движения встречного потока устанавливают, соответственно, лопасть переднего распределителя потока, лопасть уплотнителя потока со стороны ускорения потока и реактивную лопасть. Дополнительно со стороны зоны торможения потока может быть установлена лопасть торможения набегающего потока. В уплотнителе потока и/или реактивной лопасти, и/или лопасти торможения набегающего потока образуют специальные аэродинамические щели. Выемки могут быть выполнены параболической формы.
Недостатком данного решения является его недоработанность в плане аэродинамического профиля плоскости сжатия. Как только ветроколесо начинает вращаться, а с ним и указанная плоскость, возникает вихревой срыв потока (в зоне между точкой р2 и р3 на Фиг.4 прототипа образуются закрученные вихри), который усугубляется еще больше, чем больше скорость вращения всего ветроколеса. Картину еще больше портит и эффект некоторого вакуума за плоскостью, в который с еще большим эффектом втягивается боковой поток, расположенный выше лопасти (8) (на Фиг.2 прототипа), расширяя зону турбулентности. А как известно из аэродинамики, это в конечном счете приведет к уменьшению эффекта Магнуса, что сведет к минимуму все положительные моменты по его усилению способом, описанным в прототипе. В результате, сама реактивная лопасть (8) (на Фиг.2 прототипа) станет бесполезным атрибутом. Недостатки присущи и лопасти распределения потока (6) (на Фиг.2 прототипа). Эта лопасть снимает область хаотичного положительного давления на лобовую часть цилиндра, тем самым снижая парусность цилиндров, а значит и уменьшение до минимума коэффициента лобового сопротивления тела. В некоторой степени эта лопасть повышает и КПД, но незначительно.
Технический результат: достигается усиление эффекта Магнуса в широком диапазоне скоростей потока, начиная от его нулевого значения.
На Фиг.1 показано общее конструктивное устройство, расположение и форма неподвижных лопастей (вид с торца ротора цилиндра), а также принцип действия набегающего потока на конструкции ветроколеса, где 1 — ротор-цилиндр в сечении (стрелкой внутри колеса показано направление вращения колеса), 2 — плоскость распределения потока, выполняющая функцию распределения потока, а также обжатия и ускорения пограничного слоя цилиндра вращения, 3 — лопасть, с функцией сжатия потока, содержащая не менее чем одну аэродинамическую щель — 7 вдоль плоскости; угол установки плоскости относительно цилиндра задается, предпочтительно автоматически, 4 — реактивная лопасть, с функцией создания дополнительной силы вращения ветроколеса, 5 — пограничный слой воздушной массы, обладающий скоростными характеристиками раскрученного цилиндра; ширина его зависит от скорости вращения цилиндра и других составляющих, 6 — силовой гребень, расположенный перпендикулярно профилю лопастей сжатия потока (3-4 элемента), служащий одновременно как для силовой структуры многоэлементной конструкции лопасти, так и как элемент противостоящий сходу потока при возникновении центробежных сил, 7 — щели в лопасти сжатия потока. На Фиг.2 показано конструктивное устройство ветроустановки, где 8 — задняя часть капсулы (вращается в сборе с ветроколесом), 9 — аэродинамическое кольцо, 10 — задняя силовая распорка — капля, 11 — корпус обтекателя, 12 — поворотный узел, 13 — вертикальная труба привода генератора, 14 — опорная мачта (многосекционная), 15 — стыковочный узел секций, 16 — повторный стыковочный узел, 17 — угловой комбинированный редуктор с приводом на генератор(ы), 18 — генератор, 19 — верхняя часть мачты удобообтекаемой формы (каплевидная), 20 — противовес-обтекатель.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что ветроустановка на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем, радиальные лопасти в виде цилиндрических роторов, приводы для вращения роторов и электрогенератора, электродвигатель привода роторов, установленные дополнительно профилированные плоскости в виде лопастей сжатия, распределителя потока и реактивной лопасти вдоль каждого цилиндрического ротора, которые по отношению к самим роторам выполнены неподвижными и закреплены с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроколеса, отличающаяся тем, что лопасть переднего распределителя потока смещена от центра в сторону области торможения, а плоскость лопасти выполнена более вытянутой в сторону направления вращения цилиндра, содержит дополнительно лопасть сжатия потока, расположенную перед реактивной лопастью и выше нее по уровню относительно цилиндра, причем лопасть сжатия потока содержит не менее чем одну аэродинамическую щель вдоль плоскости лопасти, а лопасть сжатия выгнута на набегающий боковой поток.
Кроме того, щели лопасти сжатия потока выполнены таким образом, что каждая часть лопасти, которой они разъединены с торца, подобна по контуру фигуры другой части. Аэродинамический контур щелей выполнен с возможностью беспрепятственного пропуска набегающего бокового потока ветра и его ускорения, заданное по нужному направлению. Кроме того, по периметру окружности цилиндрического ротора вдоль его длины выполнены выемки в количестве не менее 8. Выемки выполнены параболической формы. Кроме того, ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем установлено позади мачты. Мачта в зоне работы ветроколеса выполнена каплевидной формы.
Принцип работы энергоустановки, основанный на использовании эффекта Магнуса, заключается в следующем.
При включении электродвигателя (на чертежах не показан) его вращение передается на основной конический редуктор цилиндра (1) ротора, а в нем на ведомые шестерни приводов вала ротора. Ведущая шестерня приводит во вращение ведомые шестерни с валами роторов. При раскрутке роторов возникает эффект Магнуса. Принципиально сам эффект заключается в том, что при обтекании вращающегося цилиндра (1) (см. Фиг.1) возникает разность давлений (если смотреть на схему) над и под цилиндром.
Это обусловлено тем, что набегающий поток, совпадающий с направлением вращения цилиндра, накладывается на ламинарный слой воздуха на самом цилиндре. При этом скорость потока и скорость вращения цилиндра складываются, то есть общая скорость обтекания цилиндра увеличивается. С обратной стороны картина обратная.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным цилиндром, дает крутящий момент на порядок больший, чем лопасть обычного винта. Более того, изменение формы поверхности крутящегося цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Основным элементом ветроустановки, работающей на основе эффекта Магнуса, является цилиндрический ротор (см. Фиг.2).
Каждый цилиндр (1) ротора крепится на оси вращения, исходящей от редуктора с шестернями конического типа. Само крепление роторов к осям вращения, как и многая доля компонующих деталей и механизмов, не является предметом защиты настоящего устройства и на чертежах не показана.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным цилиндром, дает крутящий момент на порядок больший, чем лопасть обычного винта ветроустановки. Более того, изменение формы поверхности крутящегося цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Это объясняется физическими законами уравнений неразрывности струйки воздушного потока (постоянства расхода воздуха) — уравнением аэродинамики, вытекающим из основных законов физики (сохранение массы и энергии) и устанавливающим взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.
Лопасть переднего распределителя потока (2) смещена от центра в сторону области торможения, плоскость лопасти выполнена более вытянутой в сторону направления вращения цилиндра (1). Такая конструкция и расположение лопасти обеспечивает работоспособность энергоустановки в любом диапазоне ветров, вплоть до нулевого значения скорости потока, т.е. в штилевых условиях. Вытянутость плоскости в сторону направления вращения цилиндра повышает скорость потока в зоне пониженного давления в квадратной зависимости, что приводит к существенному повышению КПД. Щели (7) лопасти сжатия потока выполнены так, что каждая часть лопасти, которой они разъединены с торца, подобна по контуру фигуры другой части. Аэродинамический контур щелей (7) выполнен так, чтобы набегающий боковой поток (Vп или Vp) смог получить беспрепятственный проход и ускорение, заданное по направлению. Лопасть сжатия (3) выгнута на набегающий боковой поток, благодаря чему исключается срыв потока в носовой ее части.
Смешиваясь, вливаясь в общий набегающий поток, вектора потоков Vп и Vp суммируются. К полученному суммарному потоку добавляется сила потока V1 от лопасти (2), а также сила потока сжатого пограничного слоя между лопастью (2) и вращающимся цилиндром. При этом поток, образованный под лопастью (2), вырвавшись в область общего слияния потоков, имеет наибольшую величину ускорения. Это в свою очередь приведет к возникновению области самого пониженного давления. В эту область пониженного давления и начнет втягиваться большая часть формирующегося потока, образуя область всасывания потока со стороны вектора Vп (что важно, когда Vп стремится к нулю в условиях штиля). При малых скоростях ветра, близких к нулю, необходимо само ветроколесо раскручивать быстрее на величину, пропорциональную снижению скорости потока Vп. Тогда, (см. треугольник векторных сил на Фиг.1) начнет возрастать вектор ротации Vp. Достигается это за счет увеличения скорости вращения цилиндров и использования так называемого «мнимого ветра», широко применяемого в парусном деле. Хотя при этом расход собственной электроэнергии на раскрутку ветроколеса повысится, это повышение будет составлять несколько процентов. Если учесть, что с ростом Vp эффект от вращения цилиндров возрастет многократно, это превысит все издержки затрат на электроэнергию. Кроме того, формирование зоны отрицательного давления позади роторов-цилиндров ветроустановки позволяет использовать дополнительный эффект (см. Фиг.2). Он позволил расположение ветроколеса не спереди ветроустановки, а сзади. Такое расположение позволяет повысить принцип флюгерности, т.е. способность ветроколеса к самоориентации по ветру, а это значит, что практически отпадает необходимость в использовании механизма(ов) на разворот или доворот ветроколеса по ветру.
Недостатком решения по установке ветроколеса позади мачты является лишь то, что возникает затененная турбулентная область между мачтой (19) и ветроколесом, которая вредно может влиять на ротор с лопастями, когда они проходят через нее. Чтобы устранить этот вредный эффект достаточно мачту (19) в зоне работы ветроколеса выполнить каплевидной формы, которая будет сглаживать турбулентные потоки вокруг корпуса обтекателя (11) к ветроколесу. Поскольку в заявленном устройстве ветроустановка будет работать практически при штилевом ветре, потери от снижения скорости ветра на входе в ветроколесо от выполнения мачты каплевидной формы, будут ниже, чем преимущества, которые возникнут от снижения расходов энергии на поворот колеса по ветру и отказ от механизмов, осуществляющих этот поворот. Таким образом, поворотный узел (12) может быть выполнен просто в виде подшипника без дополнительных двигателей или механизмов, передающих вращение. Пример энергоустановки в сборке на основе заявленного устройства показан на Фиг.2. Задняя часть капсулы (8) вращается в сборе с ветроколесом. Аэродинамическое кольцо (9) и задняя силовая распорка (10) служат для закрепления к ним лопастей. Вращение от ветроколеса передается на вертикальную трубу (13) привода, которая расположена внутри опорной многосекционной мачты (14). Секции стыкуются посредством стыковочных узлов (15) и (16). Благодаря чему ветроустановка может быть выполнена разборной. От привода (13) вращение передается на угловой комбинированный редуктор (17) с приводом на генераторы (18).
С помощью плоскости распределения потока помимо функции распределения потока в сторону ускорения его и торможения, выполняется очень важное свойство плоскости — это формирование ускоренного пограничного слоя воздуха вокруг цилиндра-ротора. Это важное свойство приводит к возможности использования всей установки в штилевых условиях, что невозможно в других известных типах установок.
Claims ( 7 )
1. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем, флюгер, радиальные лопасти в виде цилиндрических роторов, приводы для вращения роторов и электрогенератора, электродвигатель привода роторов, установленные дополнительно профилированные плоскости в виде лопастей сжатия, распределителя потока и реактивной лопасти вдоль каждого цилиндрического ротора, которые по отношению к самим роторам выполнены неподвижными и закреплены с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроколеса, отличающаяся тем, что лопасть переднего распределителя потока смещена от центра в сторону области торможения, а плоскость лопасти выполнена более вытянутой в сторону направления вращения цилиндра, содержит дополнительно лопасть сжатия потока, расположенную перед реактивной лопастью и выше нее по уровню относительно цилиндра, причем лопасть сжатия потока содержит не менее чем одну аэродинамическую щель вдоль плоскости лопасти, а лопасть сжатия выгнута на набегающий боковой поток.
2. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что щели лопасти сжатия потока выполнены таким образом, что каждая часть лопасти, которой они разъединены с торца, подобна по контуру фигуры другой части.
3. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.2, отличающаяся тем, что аэродинамический контур щелей выполнен с возможностью беспрепятственного пропуска набегающего бокового потока ветра и его ускорения, заданное по нужному направлению.
4. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что по периметру окружности цилиндрического ротора вдоль его длины выполнены выемки в количестве не менее 8.
5. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.4, отличающаяся тем, что выемки выполнены параболической формы.
6. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем установлено позади мачты.
7. Ветроустановка на основе эффекта Магнуса по п.6, отличающаяся тем, что мачта в зоне работы ветроколеса выполнена каплевидной формы.
Турбины Магнуса
Эффект Магнуса заключается в том, что при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа образуется сила, воздействующая на тело перпендикулярно к направлению потока. Назван эффект в честь подробно описавшего его в 1852 году немецкого физика Генриха Густава Магнуса, хотя учёные и раньше обращали внимание на это явление. Так, в 1672-м его заметил и корректно интерпретировал Исаак Ньютон, наблюдавший за игрой в теннис, а в 1742-м — математик и специалист по баллистике Бенджамин Робинс, исследовавший отклонение мушкетных пуль в полёте. В баллистике с эффектом Магнуса борются, а в спортивных играх с мячом его, наоборот, активно используют, что, надо полагать, началось задолго до Ньютона: чтобы научиться подкручивать мяч, теория не нужна.
Если говорить о технологиях, основанных на эффекте Магнуса, то дальше всех по пути от экспериментальной модели до практического применения продвинулся роторный парус, изобретённый в 1920-х немецким инженером Антоном Флеттнером — его творение успешно эксплуатируется на нескольких коммерческих судах. На заре авиации делались попытки построить самолет с ротором Флеттнера, но от этой идеи быстро отказались. Чего нельзя сказать об идее ветрогенератора, в той или иной форме использующего эффект Магнуса, — она постоянно возрождается.
Роторы Флеттнера в новой роли
Начнём с предложения усовершенствовать стандартный ветряк с горизонтальной осью, заменив на нём обычные лопасти-крылья вращающимися цилиндрами. Благодаря такой конструкции ротор будет испытывать значительно меньшее давление воздушного потока, что, в свою очередь, снизит требования к прочности самого ротора и башни, а эффект Магнуса обеспечит достаточную скорость вращения. Она будет ниже, чем у ротора с крыльчатыми лопастями, но это и хорошо: износ замедлится, тише станет гудение. Чтобы вращать лопасти-цилиндры, а также для первоначальной раскрутки ротора можно использовать вспомогательные электромоторы, но это не обязательно.
В марте 1926 года в журнале «Наука и техника» была опубликована заметка о ветросиловом двигателе, разработанном братьями Тихомировыми. Изобретатели (ни их имена, ни даже инициалы, к сожалению, не приводятся) к трём роторам Флеттнера добавили три обычные лопасти, чтобы ветряк сам раскручивался под действием ветра. Роторы Флеттнера они подсоединили к конической зубчатой передаче, которую насадили на вал главного ротора, так что им передавалось его вращательное движение. «Вращающиеся цилиндры, — резюмирует автор заметки, — могут развить большую мощность, а ветродвигатель может быть применён и там, где не требуется производства электричества».
Спиральные лопасти
Теперь переместимся из эпохи почти столетней давности в наши дни. В 2002 году группа инженеров-энергетиков из Южно-Уральского федерального университета — Сергей Щеклеин, Александр Попов, Игорь Бурдин и Константин Горелый — запатентовала ветрогидроэнергетическую установку с вращающимися лопастями, которые для усиления эффекта Магнуса были снабжены спиральными рёбрами-шнеками. Эта концепция показалась перспективной руководству японской префектуры Акита, заинтересованному в развитии ветроэнергетики на своей территории. Для этих мест даже в большей степени, чем для остальной Японии, характерны сильные порывистые ветры, поэтому обычные турбины подходили здесь плохо, требовалось нестандартное решение.
За реализацию концепции по поручению префектуры взялась местная фирма Mecaro, выпускавшая производственное оборудование и не занимавшаяся турбинами. Около трёх лет ушло на эксперименты, и в 2007 году в селе Огата устойчиво заработал ветрогенератор Spiral Magnus Wind Turbine мощностью 12 кВт с пятью вращающимися спиралевидными лопастями. Конструкция была запатентована, и газета Japan Times тогда писала, что Mecaro получает запросы из других стран. К сожалению, мне ничего не удалось узнать о текущем состоянии проекта.
Вертикальная ось
В ветрогенераторе Magnus VAWT (Magnus Vertical Axis Wind Turbine — магнусова ветровая турбина с вертикальной осью), разработанном японским инженером Ацуси Симидзу и продаваемом фирмой Challenergy, эффект Магнуса также помогает вырабатывать энергию при неблагоприятных погодных условиях, в том числе при ветре ураганной силы. Главная отличительная черта Magnus VAWT — вертикальная ось, что существенно упрощает управление ветряком, поскольку положение ротора не требуется менять в зависимости от направления ветра. Цилиндры приводятся во вращение электромоторами, а когда ветер поднимается, возникает эффект Магнуса и начинает вращаться главный ротор. Предположительно (хотя в доступных публикациях я этой информации не нашла) скорость его вращения можно регулировать, меняя обороты и направление вращения роторов Флеттнера.
Прототип системы Magnus VAWT мощностью 10 кВт, находящийся на острове Исигаки в префектуре Окинава, рассчитан на эксплуатацию при скорости ветра до 40 м/с (по шкале Бофорта ветер 33 м/с и выше — это ураган силой 12 баллов). Установка непрерывно работает с августа 2018 года; максимальная скорость ветра 36,4 м/с была зафиксирована в начале августа 2020-го во время тайфуна Хагупит.
В феврале нынешнего года Challenergy объявила о планах по выводу системы Magnus VAWT на рынок; главным заказчиком должны стать острова, наиболее подверженные тайфунам, такие как Филиппины и Гуам. По словам Сигето Мицумото, главного специалиста по стратегии Challenergy, в 2021 году планируется продать 10-20 турбин, а в 2022-м довести количество установленных систем до 5-100. Цена за единицу 20 миллионов иен (больше 180 тысяч долларов) — пожалуй, высоковата, учитывая скромную мощность генератора, — но первая продажа уже состоялась. Тридцатого марта в филиппинской провинции Батанес при участии представителей Challenergy, местных властей и местной энергетической компании прошла торжественная церемония закладки новой системы Magnus VAWT. В более отдаленной перспективе Challenergy рассчитывает выпустить морскую турбину мощностью 100 кВт.
Ротор в полёте
Прототип аэростата MARS (Magenn power Air Rotor System — воздушнороторной энергосистемы Magenn) поднимался в воздух 14 лет назад, а публикации о нем датируются по преимуществу 2009-2012 годами. Дальнейшая судьба ветрогенератора неизвестна. Тем не менее устройство существовало, летало и могло вырабатывать электроэнергию. Оно представляло собой аэростат-ротор, наполненный гелием; ось ротора располагалась горизонтально, а лопасти были крыльчатыми — роторы Флеттнера не использовались. Эффект Магнуса играл вспомогательную роль, несколько увеличивая скорость вращения ротора и подъёмную силу. По-видимому, он оказывает аналогичное воздействие и на другие модели генераторов на аэростатах, однако не все считают нужным об этом упоминать.
Эффект Магнуса помогает работе роторного ветроэнергетического
аэростата MARS
энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта магнуса
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам с использованием эффекта Магнуса. Энергоустановка содержит ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов, обтекатель-корпус из вращающейся и неподвижной частей, приводы для вращения роторов, электродвигатель привода роторов и электрогенератор. Установка также содержит аэродинамическое кольцо либо его части, соединенные по окружности между ними дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами, носовой обтекатель, выполненный конусообразной формы или выполненный, как одно целое с передней вращающейся частью обтекателя-корпуса, с длиной не менее 1/3 от ее длины, датчики скорости и направления ветра, вынесенные на нос установки, а также камеру балансировки установки, расположенную в задней части обтекателя-корпуса. Число роторов в энергоустановке составляет от 2 до 6, приводы снабжены коническим редуктором, а неподвижная часть обтекателя-корпуса агрегатного отсека составляет не менее 2/3 от всей его длины. Электродвигатель привода роторов дополнительно может содержать или быть выполнен со встроенным планетарным редуктором. Энергоустановка может дополнительно содержать профилированные растяжки, установленные между концами роторов, и быть оснащена устройством поглощения возможных вибраций под действием растяжек. Конструкция установки обеспечивает более полное использование энергии набегающего потока, повышение КПД, а также надежна в эксплуатации. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения
1. Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов, обтекатель-корпус из вращающейся и неподвижной частей, приводы для вращения роторов, электродвигатель привода роторов и электрогенератор, отличающаяся тем, что установка содержит аэродинамическое кольцо либо его части, соединенные по окружности между ними дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами, носовой обтекатель, выполненный конусообразной формы или выполненный как одно целое с передней вращающейся частью обтекателя-корпуса, с длиной не менее 1/3 от ее длины, датчики скорости и направления ветра, вынесенные на нос установки, а также камеру балансировки установки, расположенную в задней части обтекателя-корпуса, причем число роторов в энергоустановке составляет от 2 до 6, приводы снабжены коническим редуктором, а неподвижная часть обтекателя-корпуса агрегатного отсека составляет не менее 2/3 от всей его длины.
2. Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что электродвигатель привода роторов дополнительно содержит или выполнен со встроенным планетарным редуктором.
3. Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса по п.1 или 2, отличающаяся тем, что энергоустановка дополнительно содержит профилированные растяжки, установленные между концами роторов, при этом энергоустановка оснащена устройством поглощения возможных вибраций под действием растяжек.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса.
Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов Магнуса // пат. СССР 10198, F03D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F03В 5/00, F30D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F03D 5/00, 1984; a.c. 1677366, F03D 1/02, СССР, 1991 и др.). Основные недостатки этих ВЭУ — достаточно сложные приводы для вращения цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде.
Известно устройство по патенту GB 248471 от 05.12.1924. Недостатком данного устройства следует считать отсутствие указаний на тип привода роторов от мотора, который выполнен по низкоэффективной червячной передаче крутящего момента, через полую громоздкую станину на конический редуктор. Такой принцип привода роторов приводит к возникновению обратной реакции ветроколеса, которая будет стремиться некоторое время, особенно на начальном этапе раскрутки, следовать за основным валом установки. Эта же сила будет присутствовать постоянно как вредная, забирающая часть энергии раскрутки на себя. При этом в устройстве не указаны принципы отбора крутящего момента.
Известно устройство по патенту DE 3800070 A1 от 13.07.1989. Недостатком данного типа установки, работающей на принципе раскрутки роторов от встроенного спирального ускорителя, поток которого высвобождается через выпускные окна на концах цилиндров, следует считать то обстоятельство, что мощность установки такого типа будет достаточно низкой, т.к. раскрутка роторов от энергии ветра малоэффективна.
Известно устройство по патенту UA 63018 C2 от 15.01.2004. Недостатком является то, что для раскрутки роторов ветроколеса промышленного типа, когда необходимо достижение большого крутящего момента, данное устройство не эффективно, т.к., во-первых, автоматически возрастает громоздкость подобных конструкций при увеличении размеров ветроустановки, во-вторых, возникает вредная парусность, которая недопустима при шквалистых ветрах. Такие установки при ураганных ветрах становятся огромным парусом и их конструкция может не выдержать напора воздуха. Кроме того, значительное усложнение конструкции приведет к повышению материалоемкости и цене всей установки. Чем больше деталей в конструкции, тем больше ее сложность и вероятность отказов. Установки такого типа пригодны только в качестве маломощных ветрогенераторов.
Известно устройство по патенту DE 3501807 A1 от 24.07.1986. Недостатком данного типа устройства является то, что сам способ раскрутки роторов в плане работоспособности находится под большим сомнением, т.к. есть некоторые противоречия в использовании эффекта Магнуса в данной конструкции.
Известно устройство по патенту AU 573400. Недостатком данного типа устройства следует считать то, что привод раскрутки роторов приводит во вращение и саму установку. У установки нет силовых элементов, предотвращающих вибрацию роторов. Приведены некоторые варианты раскрутки роторов, однако не предложена конкретная схема. К близкому аналогу следует отнести устройство по патенту US 4366386 от 28.12.1982. Недостатком данного типа устройства является максимальное усложнение конструкции при помощи огромного количества дифференциалов и систем шестеренок. В заявляемом изобретении этот момент обойден одним простым решением: электропривод роторов установлен непосредственно на редукторе самих роторов, максимально быстро и без потери энергии передавая крутящий момент.
К недостаткам всех вышеупомянутых аналогов следует отнести тот факт, что ни один из авторов данных патентов не выразил основную теоретическую сущность эффекта Магнуса, а именно то, что в его принципе скрыта очень неприметная деталь: взаимосвязь (по закону Бернулли) между статическим и динамическим давлениями на поверхности роторов. С помощью скоростного напора ( v 2 /2) в заявленном изобретении происходит управление изменением «оболочки» — давления воздуха на ротор, то есть статической структуры.
В качестве одной из проблем всех видов ветроустановок является стабильность напряжения на выходе из генератора, которая сильно зависит от порывов набегающего потока. Ее необходимо доводить минимум до 80% стабилизации. В известных аналогах данная проблема совершенно не описана. В заявляемой установке применен принцип совмещения механической и электронной стабилизации (назовем его «центробежно-электронный метод»), применение которого позволяет контролировать и упреждать нежелательное повышение или понижение напряжения на выходе из генератора.
В заявляемом изобретении устранены несколько существенных недостатков, свойственных аналогам: устранены вредные силы реакции при раскрутке роторов путем совмещения электрического привода раскрутки роторов непосредственно с редуктором самих роторов и, самое главное, практическим путем выведена оптимальная форма поверхности роторов, увеличивающая эффект Магнуса в несколько раз (смотрите прилагаемую схему). Практика показала, что наибольшим КПД будут обладать ветроколеса медленного вращения, которые будут максимально загружены через редуктор. То есть энергия набегающего потока будет использована наиболее полно. Каждый ротор ветроустановки подобного типа подвержен воздействию силы в двух направлениях: поперечном, за счет действия потока воздуха, и продольном, за счет момента, который создает сам ротор в процессе раскрутки. В заявляемой конструкции эти моменты сбалансированы за счет внедрения продольно-поперечного усиления, выраженной в установке аэродинамического кольца и продольных растяжек, связанных с концами роторов. В таком виде роторы находятся в замкнутом контуре нагрузок, что исключает их поломку или вредную вибрацию.
К достоинствам заявляемого устройства следует также отнести то, что сама «лопасть» в виде вращающегося (сложной формы) цилиндра, а их может быть до 6 изделий, в сумме самого крутящего момента может достигать огромного значения, а значит и приводить (в нашем случае) электрогенераторы промышленных мощностей. Другое положительное качество — это высокая степень стабилизации напряжения с упреждением порывов ветра, а также способности достаточной энергоотдачи даже при очень слабом ветре, которая достигается за счет изменения скорости вращения самих цилиндров-роторов. Теоретическое исследование и натуральные (практические) испытания в естественной среде (вплоть до продувки в аэродинамической трубе) показали наиболее рациональный вид конструкции ветропривода (он же и гидропривод).
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано устройство энергоустановки (сбоку и спереди), где 1 — «ротор-цилиндр» (лопасть) — от 3 шт. и более, 2 — электрогенератор — возможна установка нескольких изделий со специальными соединениями между ними, 3 — редуктор электрогенератора — одно изделие (возможно по подобию авто КПП), 4 — конический редуктор привода роторов замкнутой схемы Мкр (Мкр — это крутящий момент в математической форме), 5 — электродвигатель привода роторов и/или со встроенным планетарным редуктором, 6 — неподвижная часть обтекателя — корпуса агрегатного отсека ( 2/3 всего корпуса), 7 — аэродинамическое кольцо или кольцо, состоящее из частей его окружности, соединенное между участками дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами (аэродинамический антивибратор), 8 — выносные датчики скорости и направления ветра, 9 — поворотная платформа с исполнителями команд разворота установки против ветра; узел токосъемника и силовой шкаф передачи электроэнергии вниз к подстанции, 10 — соединительные трубки или профиля со встроенными антивибраторами, 11 — носовой обтекатель специальной формы (может быть выполнен как одно целое с передней ( 1/3 всей длины) частью вращающегося обтекателя), 12 — несущая (опорная) мачта энергоустановки, 13 — камара (зона) балансировки установки, 14 — силовые, телеметрические и т.д. шкафы, 15 — аэродинамические законцовки (диски) роторов, 16 — профилированные растяжки, установленные между концами роторов, 17 — основной силовой вал, соединяющий ветроколесо с генератором (через редуктор), 18 — силовой каркас (платформа) всей энергоустановки.
В установке используются также (но не показаны на чертеже): муфта сцепления «редуктор — генератор», тормоз основного вала, антиобледенитель, лифт и вспомогательные площадки по техническому обслуживанию установки (либо лестница — для энергоустановок малых и средних мощностей), крепеж мачты на грунт или дно водной поверхности, передняя часть обтекателя имеет силовой скелет, в особенности, когда применяются растяжки (вперед и назад, помимо самого аэродинамического кольца) к каждому из роторов вращения, разрез между частями корпуса обтекателя.
На фиг.2 показан принцип образования воздушных потоков при работе установки.
На фиг.3 показана условная струйка, объясняющая принцип распределения скорости и давления воздуха в зависимости от входного и выходного сечения струи.
Данный результат достигается за счет того, что энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов, обтекатель-корпус из вращающейся и неподвижной частей, приводы для вращения роторов, электродвигатель привода роторов и электрогенератор, содержит аэродинамическое кольцо, либо его части, соединенные по окружности между ними дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами, носовой обтекатель, выполненный конусообразной формы, или выполненный как одно целое с передней вращающейся частью обтекателя-корпуса, с 4 длиной не менее 1/3 от ее длины, датчики скорости и направления ветра, вынесенные на нос установки, а также камеру балансировки установки, расположенную в задней части обтекателя-корпуса, причем число роторов в энергоустановке составляет от 2 до 6, приводы снабжены коническим редуктором, а неподвижная часть обтекателя-корпуса агрегатного отсека составляет не менее 2/3 от всей его длины.
Электродвигатель привода роторов дополнительно может содержать или быть выполненным со встроенным планетарным редуктором.
Энергоустановка дополнительно может содержать профилированные растяжки, установленные между концами роторов, при этом энергоустановка оснащена устройством поглощения возможных вибраций под действием растяжек.
Ветроустановка (см. фиг.1) состоит из трех основных частей: самого ветроколеса роторно-цилиндрической формы, обтекателя-корпуса с его силовой начинкой и мачты, в состав которой входит и вспомогательное оборудование.
Основным элементом энергоустановки является ротор-цилиндр (1) сложной формы. Их количество на установке может быть не более шести. Количество роторов ограничивается их взаимовлиянием и размерами и достигать может шести единиц.
Каждый ротор (1) крепится на оси вращения, исходящей от редуктора (4) с шестернями конического типа. Само крепление роторов к осям вращения, как и многая доля компонующих деталей и механизмов, на эскизе энергоустановки не показана.
Сам ротор (1) выполнен из композиционных материалов, внутри которого сквозь два (внешний и внутренний) силовых и несколько дополнительных шпангоутов пропущена трубчатая центровочная ось. В концах оси ротора вмонтированы резьбовые соединения с осями редуктора их привода, что позволяет быстро демонтировать или монтировать силовую установку в случае ее транспортировки. Кроме того, роторы-цилиндры имеют по 2-3 аэродинамических законцовки (15), исключающие вредное взаимовлияние как с обтекателем-корпусом установки, так и препятствуют совместно с третьим кольцом (в районе центра ротора) сходу закрученного потока с цилиндра за счет центробежных сил, возникающих при вращении всего ветроколеса.
На конце каждого ротора установлен в его оси специальный подшипниковый переход для крепления аэродинамического кольца (7) или его части с антивибраторами (пружинно — штоковый принцип). Роторы-цилиндры приводятся во вращение (до нескольких тысяч оборотов в минуту) встроенным в обтекатель маломощным электродвигателем (5) через редуктор (4). Схема редуктора (4) выполнена на основе конических шестерен замкнутого цикла нагрузок с определенным передаточным числом. Для повышения эффективности раскрутки роторов (1) электродвигатель (5) совмещен с планетарным редуктором. При набегании ветрового потока на раскрученные роторы-цилиндры возникает вращение всего ветроколеса за счет эффекта Магнуса.
Общее вращение ветроколеса увлекает за собой основной силовой вал (17), прикрепленный к коническому редуктору роторов. Сам вал (17) установлен в подшипниках, размещенных на силовых стойках-кронштейнах, которые, в свою очередь, крепятся к основной платформе всей установки. При этом входит во вращение и носовая часть обтекателя (приблизительно 1/3 передней части всего корпуса), а на коническом редукторе выполнено токосъемное устройство, передающее управляющее напряжение на электродвигатель с автоматики управления. На шкаф автоматики (14) подается два сигнала управления: вращение цилиндров с датчиков (8) по скорости и направлению ветра. Упрежденное положение датчиков выполнено с учетом своевременного изменения скорости вращения цилиндров, что повышает общую стабилизацию выходного напряжения с генератора. Практика показала, что инертность самих цилиндров очень не высокая, а это позволяет быстро подстраивать их вращение с упреждением, что гораздо сложнее выполнить на ветроустановках классического типа. Мало того, если остановить вращение цилиндров, то полностью прекращается и вращение всего ветроколеса, что очень важно при его периодическом техническом обслуживании или ремонте. Вращение основного вала (17) далее передается на редуктор генератора (3), а от него через муфту сцепления на сам электрогенератор (2). Напряжение, полученное от электрогенератора (2), подается на силовой шкаф (14) (их может быть несколько), откуда стабилизированное напряжение подается через второй электросъемник дальше к потребителю. Съемник выполнен в верхнем отсеке мачты (12).
Обтекатель-корпус силовой установки содержит камеру балансировки (13). Задняя часть обтекателя (6), длиной около 2/3 от всей длины, закреплена жестко на силовом каркасе (платформы 18). Относительно горизонтального вала (17) эта часть неподвижна, но имеет общее вращение относительно стороны набегающего потока. По сигналам управления со шкафа (14) вся установка ориентируется строго против ветра и вращение ее осуществляется на поворотной платформе (9), где расположен шаговый электродвигатель, вращательная команда от которого через венечный редуктор подается на разворот ветроколеса строго против ветра.
Обтекатель специальной конфигурации (11) служит для упорядочения и ускорения потока вблизи внутренних законцовок цилиндров. Он может быть также выполнен за одно с носовой частью всего обтекателя установки.
Профилированные растяжки (16), установленные между концами роторов, выполненные между концами роторов, служат для мощных ветроколес, когда целью установки является производство сотен и тысяч киловатт. Они должны быть выполнены с устройствами поглощения возможных вибраций (антивибраторами). В носовой части на расстоянии упреждения на трубчатой штанге расположены датчики (8) управлением режимом работы энергоустановки, т.е. датчики скорости и направления ветра (по авиационной аналогии).
Основной вал установки крепится к редуктору ветроколеса (здесь же расположен токосъемник). Далее он проходит через два опорных подшипника (тип — упорно-радиальных) и стыкуется с генератором через редуктор, выполненным по схеме планетарного или цилиндрического типа.
Вся силовая часть (вал — редуктор — генератор — силовой энергетический шкаф) расположена на жесткой платформе, к которой одновременно прикреплена неподвижная часть обтекателя.
В хвостовой части обтекателя расположен отсек балансировки ветроагрегата (за исключением, разумеется, опорной мачты и механизмов в ней). Помимо вышеописанного для энергоустановок значительных мощностей предполагается установить силовые шкафы электрооборудования, стабилизации напряжения, его повышения (при необходимости), телеметрии и обработки данных режимов работы установки, а также автоматики управления и аварийной сигнализации работы основных узлов. Основание установки крепится на специальном поворотном устройстве, в состав которого войдут: опорный силовой подшипник (разной конструкции, в зависимости от веса установки) и его опора, поворотный зубчатый венец и его управляющая шестерня, насаженная на вал шагового электродвигателя (возможен промежуточный редуктор). Опорная мачта всей установки, в зависимости от веса силового агрегата и изгибающих моментов может быть разной конструкции, но превалирующим будет трубчатый конусный тип.
В качестве образца была выполнена энергоустановка четырехцилиндрового привода с общим диаметром (по внешней образующей) 1,5 м. Цилиндры конусного типа изготовлены по авиационному «панельному» методу из современных композиционных материалов, чем достигнута их высокая прочность и одновременная легкость, а значит и малая инертность при их раскрутке. Движителем для раскрутки является электродвигатель малой мощности, который, потребляя не более 1 процента выдаваемой электроэнергии, доводит вращение цилиндров до нескольких тысяч оборотов (при необходимости). Для предотвращения «вредной» реакции электродвигатель состыкован через планетарный редуктор с механизмом привода самих роторов-цилиндров, т.е. приводит во вращение ведущую шестерню замкнутого контура нагрузок конического редуктора с определенным передаточным числом.
Сами цилиндры выполнены в виде плоскостного многогранника. Форма граней в зависимости от необходимого крутящего момента может выполняться в виде сегмента сферической формы, либо более сложной образующей кривой типа «косой сабли» или пилообразной, что позволяет, с одной стороны, вращающегося цилиндра получать повышенное торможение воздушного потока, а значит, и повышенное давление. С другой же стороны (относительно оси набегающего потока), повышение скорости потока, согласно закону сохранения массы, приводит сам поток к околозвуковым значениям скорости, что, в свою очередь, создает такое падение давления, которое ведет к созданию области повышенного разряжения воздушной среды, и что, в свою очередь, ведет к естественному «втягиванию» ветроколеса в слой невозмущенного потока, а равно к всасыванию его же в область разряжения вращающегося цилиндра.
При этом условный входящий контур канала струйного (пограничного) течения расширяется, а в относительном понятии неразрывности струйки установившегося потока область минимального сечения становится значительно меньше, что ведет к ускорению потока до скоростей равным околозвуковым, а возможно и больше.
Разность давлений уже начинает (по перепаду) достигать значений, при которых устойчивость (на прочность) материала изготовленного цилиндра начинает «плыть», т.е. возможна авария, поломка.
Для достижения более эффективной обработки ветрового потока применяется как аэродинамическое кольцо (для незначительных по размеру установок), так и часть его элемента в самой области цилиндра вращения, что частично повышает плотность набегающего потока на конце «лопасти», а за одно сдерживает сход общей массы закрученного потока вдоль оси цилиндра к периферии (за счет центробежных сил, возникающих от центра ветроколеса к его периферии). В носовой части корпуса выполнен специальный конус для подводки центральной части потока в обжатой форме (ускоренной) к комлевой части ветроколеса, что от части повышает Мкр. (крутящий момент в математической форме) цилиндров на его начальном измерении по размаху (длине).
ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ
Принцип работы энергоустановки, основанный на использовании эффекта Магнуса, заключается в следующем.
При включении электродвигателя (5) его вращение передается через планетарный редуктор на основной конический редуктор (4) непосредственно на ведущую шестерню. Ведущая шестерня приводит во вращение ведомые шестерни с валами роторов. При раскрутке роторов возникает эффект Магнуса (фиг.2). Принципиально сам эффект заключается в том, что при обтекании вращающегося цилиндра возникает разность давлений (если смотреть на схему) над и под цилиндром. Это обусловлено тем, что набегающий поток, совпадающий с направлением вращения цилиндра, накладывается на ламинарный слой воздуха на самом цилиндре. При этом скорость потока и скорость вращения цилиндра складывается, то есть общая скорость обтекания цилиндра увеличивается. А по закону «неразрывности струйки» (закон сохранения массы) при этом понижается давление в области р1-р2-р3-р8-р9-р10, которая выделена на схеме (см. фиг.2 и 3). С обратной стороны цилиндра картина выглядит наоборот, т.е. общая скорость потока падает. Но при этом давление резко повышается. В результате этого возникает сила Магнуса (назовем ее так), направленная вверх, т.е. в область меньшего давления. Это, в свою очередь, приводит во вращение ветроколесо.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным цилиндром, дает крутящий момент, на порядок больший, чем лопасть обычного винта. Более того, изменение формы поверхности крутящегося цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Длина ротора в квадратной зависимости от диаметра всего ветроколеса. Тем не менее можно получить еще одну зависимую величину, влияющую на общую мощность, которая присуща только активному методу обработки воздушного потока: зависимость мощности не только от размаха всего ветроколеса, но и от диаметра отдельно взятого цилиндра, а также от его формы. Объясняется это следующим образом (см. фиг.2).
При вращении цилиндра вязкий воздух «прилипает» к поверхности цилиндра и прилегающие слои воздуха циркулируют вместе с вращающейся поверхностью цилиндра.
Чем дальше от цилиндра отстоит набегающая масса воздуха, тем меньшую зависимость она имеет от вращающегося цилиндра. При этом поток начинает приобретать упорядоченную форму обтекания цилиндра, и его скоростные характеристики повышаются, т.е. скорость набегающего потока складывается со скоростью частиц воздуха (ламинарный слой), непосредственно прилегающих к поверхности цилиндра. В итоге получается пограничный слой воздуха (смотри фиг.2).
Скорость воздуха внизу цилиндра меньше (здесь V 2 набегающего потока вычитается при торможении ее ламинарным слоем цилиндра), а значит, давление повышается.
С обратной стороны скорость потока и цилиндра складывается, а это значит, что скорость повышается, что ведет к понижению давления. Из-за разности давлений возникает результирующая сила давления на цилиндр, который будет перемещаться в сторону меньшего давления, т.е. (в нашем случае) вверх.
Как вывод следует, что на общий крутящий момент, создаваемый ротором-цилиндром, влияет не только скорость набегающего потока и размах ветроколеса, но и диаметр отдельно взятого цилиндра. Не меньшее значение имеет его продольная форма и форма сечения. Важным фактором также является и скорость вращения цилиндра.
При нелинейной форме граней скорость вращения ротора должна быть не менее скорости набегающего потока ветра, т.к. появляется эффект торможения потока за счет завихрения пограничного слоя в верхней части ротора. Скорость вращения ротора регулируется автоматически, путем снятия показаний датчика скорости ветра (8) (см. фиг.1).
Источник https://patents.google.com/patent/RU86257U1/ru
Источник https://www.energovector.com/energoznanie-turbiny-magnusa.html
Источник https://www.freepatent.ru/patents/2327898
Похожие записи:
Читайте также Как я построил ветряной генератор. Часть 5. Контроллер заряда - схема