RU2101560C1

RU2101560C1 - Screw-type wind rotor

Info

Publication number: RU2101560C1
Application number: RU96106850A
Authority: RU
Inventors: И.И. Смульский; В.П. Мельников; И.Н. Кавун
Original assignee: Институт криосферы Земли СО РАН
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: screw-type wind rotor has shaft carrying screw-type blades of funnel shape. Generating line of screw funnel-shaped surface is described by monotonous radius function, its special case being slant straight line. Funnel-shaped surface functions in this case as slant helicoid. At certain parameters, slant helicoid is developed into plane. Then funnel-shaped screw-type blade may be made of flat annular blank. Wind rotor with funnel-shaped screw-type blades is more effective in inclined position than that with straight screw-type blades. In addition, it can operate in vertical position and does not depend on wind direction. EFFECT: improved power efficiency, wind energy utilization factor, higher energy output at slow speeds, reduced strain in structural elements, reduced acoustic, electromagnetic, and ecological effects. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветророторам, преобразующим энергию ветра во вращение ротора. The invention relates to wind energy, namely to wind rotors that convert wind energy into rotor rotation.

Известен ветроротор Савониуса [1] содержащий вертикальный вал и установленные вдоль него лопасти, которые в нормальном с оси ротора сечении имеют s-образную форму. Вращающий момент возникает за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Ветроротор Савониуса относится к классу тихоходных с быстроходностью z ≃ 1 [2] Коэффициент использования энергии ветра такого ротора низок: ξ 0,1-0,15. Known Savonius wind rotor [1] containing a vertical shaft and blades installed along it, which are in the normal section from the axis of the rotor are s-shaped. Torque occurs due to the different resistance of the convex and concave parts of the rotor. The Savonius wind rotor belongs to the class of low-speed ones with a speed of speed z ≃ 1 [2] The coefficient of use of wind energy of such a rotor is low: ξ 0.1-0.15.

Известны ветророторы Дарье [2] и Дарье-подобные роторы конструкции "Гидропроекта" [3] которые содержат вертикальный вал, соединенные с валом и отдаленные от него продольные узкие лопасти, плоскость которых составляет острый угол с плоскостью, касательной к поверхности ротора. Вдоль своей длины лопасти могут быть прямолинейными (ветророторы "Гидропроекта" или дугообразными (ветроротор "Дарье"). The Daria [2] and Daria-like rotors of the Hydroproject design [3] are known which contain a vertical shaft connected to the shaft and longitudinal narrow blades remote from it, the plane of which makes an acute angle with the plane tangent to the surface of the rotor. The blades may be straight along their length (Gidroproekt wind turbines or arcuate (Daria wind rotors).

Эти роторы относятся к классу быстроходных с быстроходностью z ≃ 6, а коэффициент использования энергии ветра достигает ξ 0,3-0,35 [2] Недостатком этих роторов являются высокие центробежные нагрузки в связи с большой скоростью вращения. В этих конструкциях возникают большие изгибающие моменты в лопастях и узлах присоединения лопастей к валу. Кроме того, происходит изменение условий обтекания лопасти потоком в течение одного оборота, циклически повторяющееся миллионы раз. Это вызывает усталостные явления и приводит к разрушению элементов ротора и серьезным авариям. Цикличность взаимодействия лопастей с воздушным потоком приводит к генерации акустических колебаний, т.е. к аэродинамическому шуму, который препятствует использованию ветророторов в населенных зонах. Цикличность работы создает цикличность изменения электромагнитных характеристик пространства (электрической и магнитной проницаемости), что приводит к модуляции электромагнитных волн и нарушению радио- и телесигналов. Все эти недостатки, исключая те, которые вызваны быстроходностью, присущи и ротору Савониуса. Дополнительно Дарье-подобные роторы за счет большой скорости лопастей и слабой затемненности контура вращения уничтожают птиц, попадающих в зону вращения ротора. These rotors belong to the class of high-speed rotors with a speed of z ≃ 6, and the wind energy utilization coefficient reaches ξ 0.3-0.35 [2] The disadvantage of these rotors is high centrifugal loads due to the high rotation speed. In these structures, large bending moments occur in the blades and the nodes of the attachment of the blades to the shaft. In addition, there is a change in the flow conditions around the blade during one revolution, cyclically repeated millions of times. This causes fatigue phenomena and leads to the destruction of the rotor elements and serious accidents. The cyclical interaction of the blades with the air flow leads to the generation of acoustic vibrations, i.e. aerodynamic noise that prevents the use of wind turbines in populated areas. The cyclical nature of the work creates a cyclical change in the electromagnetic characteristics of space (electrical and magnetic permeability), which leads to modulation of electromagnetic waves and disruption of radio and television signals. All these shortcomings, excluding those caused by speed, are inherent in the rotor of Savonius. Additionally, Daria-like rotors, due to the high speed of the blades and weak darkening of the rotation circuit, destroy birds falling into the rotor rotation zone.

Известен ветроротор шнекового типа [4] принятый за прототип, который содержит вал и соединенные с ним прямые винтовые лопасти, которые в нормальном к оси ротора разрезе имеют направленные по радиусу сечения. Математическая форма таких винтовых поверхностей является прямым геликоидом и описывается параметрической системой уравнений [5]
Недостатком шнекового ротора с прямыми винтовыми лопастями является то, что он работает в наклонном положении, поэтому требует специальной поддерживающей конструкции, и эффективность его зависит от направления ветра, вследствие чего уменьшается эффективность использования ветровой энергии. Кроме того, прямой геликоид является поверхностью двойной кривизны и не развертывается в плоскость [6] Поэтому его необходимо изготавливать из большого количества плоских секторов либо подвергать штамповке, что приводит к увеличению стоимости ветроротора.Known auger type wind rotor [4] adopted for the prototype, which contains a shaft and connected straight helical blades, which in the normal section to the axis of the rotor are directed along the radius of the section. The mathematical form of such helical surfaces is a direct helicoid and is described by a parametric system of equations [5]
The disadvantage of a screw rotor with straight helical blades is that it works in an inclined position, therefore it requires a special supporting structure, and its effectiveness depends on the direction of the wind, which reduces the efficiency of use of wind energy. In addition, a direct helicoid is a surface of double curvature and does not expand into a plane [6] Therefore, it must be made from a large number of flat sectors or subjected to stamping, which leads to an increase in the cost of the wind rotor.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности использования энергии ветра, упрощение конструкции и технологии изготовления шнекового ротора. The technical problem solved by the invention is to increase the efficiency of use of wind energy, simplifying the design and manufacturing technology of a screw rotor.

Для решения технической задачи в шнековом роторе, содержащем вал и закрепленные на нем винтовые лопасти, последние выполнены воронкообразными с декартовыми координатами точек поверхности

где ось z направлена вдоль оси ветроротора;
r радиус расстояние от точки до оси ветроротора;
v полярный угол в поперечном сечении ветроротора;
S шаг винта;
f(r)- монотонно растущая функция радиуса.To solve the technical problem in a screw rotor containing a shaft and screw blades fixed to it, the latter are funnel-shaped with Cartesian coordinates of surface points

where the z axis is directed along the axis of the wind rotor;
r radius is the distance from the point to the axis of the wind rotor;
v the polar angle in the cross section of the wind rotor;
S screw pitch;
f (r) is a monotonically increasing function of the radius.

Воронкообразные винтовые лопасти могут быть выполнены в виде косого геликоида, который описывается формулами
f(r) = (r-r₁)ctg(γ); γ = arcsin((r₂-r₁)/h),
где r₁ и r₂ внутренний и наружный радиусы шнекового ветроротора;
γ угол между осью и образующей косого геликоида;
h высота винтовой лопасти.The funnel-shaped helical blades can be made in the form of an oblique helicoid, which is described by the formulas
f (r) = (rr ₁ ) ctg (γ); γ = arcsin ((r ₂ -r ₁ ) / h),
where r ₁ and r _{2 are the} inner and outer radii of the screw rotor;
γ angle between the axis and the generatrix of the oblique helicoid;
h the height of the helical blade.

Высота лопасти косого геликоида рассчитывается по формуле

В этом случае воронкообразная винтовая лопасть может быть выполнена из плоского кольца с внутренним радиусом

Кроме того, шнековый ветроротор может быть установлен вертикально. В этом случае его работа не зависит от направления ветра.The height of the oblique helicoid blade is calculated by the formula

In this case, a funnel-shaped screw blade can be made of a flat ring with an inner radius

In addition, a screw rotor can be mounted vertically. In this case, his work does not depend on the direction of the wind.

На фиг.1 схематически представлен фронтальный вид шнекового ветроротора с воронкообразными винтовыми лопастями; на фиг.2 в двух проекциях (фронтальный вид и вид сверху) представлены изображения геликоидов: а) прямого; б) воронкообразного; в) косого. Длина геликоидов равна шагу винта s. Figure 1 schematically shows a front view of a screw wind rotor with funnel-shaped screw blades; figure 2 in two projections (front view and top view) presents images of helicoids: a) direct; b) funnel-shaped; c) oblique. The length of the helicoids is equal to the pitch of the screw s.

Шнековый ветроротор установлен вертикально и содержит вал 1 и закрепленные на нем воронкообразные винтовые лопасти 2 (на фиг.1 показан трехзаходный шнек). Вал 1 ветроротора сопряжен с мачтой 3 через подшипниковые опоры: верхнюю 4 и нижнюю 5, в которых ветроротор имеет возможность вращаться. Мачта 3 установлена в шарнире 6 и закреплена растяжками 7. Вращение от вала 1 через передачу 8, мультипликатор 9 передается электрогенератору 10. В местностях с неизменным направлением ветра ветроротор может использоваться в наклонном положении 11. The screw rotor is mounted vertically and contains a shaft 1 and funnel-shaped screw blades 2 mounted on it (a three-auger screw is shown in FIG. 1). The shaft 1 of the wind rotor is mated to the mast 3 through bearing bearings: upper 4 and lower 5, in which the wind rotor can rotate. The mast 3 is mounted in the hinge 6 and secured by braces 7. Rotation from the shaft 1 through gear 8, the multiplier 9 is transmitted to the electric generator 10. In areas with a constant wind direction, the wind rotor can be used in an inclined position 11.

В прямом геликоиде (фиг. 2,а) образующая 12 направлена по радиусу. Он, как известно [5] описывается формулами

где x, y, z декартовы координаты точек винтовой поверхности, причем ось z направлена вдоль оси ротора;
r радиус расстояние от точки до оси ветроротора;
v полярный угол в поперечном сечении ветроротора;
S шаг винта.In a direct helicoid (Fig. 2, a) generatrix 12 is directed along the radius. As is known [5], it is described by the formulas

where x, y, z are the Cartesian coordinates of the points on the helical surface, the z axis being directed along the rotor axis;
r radius is the distance from the point to the axis of the wind rotor;
v the polar angle in the cross section of the wind rotor;
S pitch screw.

В процессе изменения угла v координата z согласно формуле (I) изменяется пропорционально v и одинакова для всех точек образующей, поэтому все образующие в полученной поверхности горизонтальны. На фиг.2,а-в показан порядок построения геликоидов. Фронтальная и горизонтальная проекции разбиты на одинаковое число частей. Нечетными меленькими цифрами 1,3,5, (фиг.2,а) показаны проекции точки образующей на внешней стороне геликоида, четными цифрами 2,4, точки на внутренней стороне геликоида. Площади поверхностей на фронтальном виде равны слева и справа от оси и кривизна их одинакова. Поэтому при горизонтальном ветре вращающий момент слева и справа от оси одинаковы и ротор не вращается. Таким образом, если ветер v направлен перпендикулярно к оси ротора ( a 90^o), то вследствие симметричного расположения частей лопастей по обеим сторонам оси ротора вращающий момент уравновешивается и ротор не вращается. Если угол между осью ротора и ветром уменьшается ( a <90^o), то части лопастей с одной стороны оси ротора разворачиваются ребром к ветру, а с другой плоскостью, вследствие чего вращающий момент от второй стороны превосходит вращающий момент от первой и ротор начинает вращаться. При некотором угле a_opt который зависит от длины ротора L и шага S, вращающий момент достигает максимума, а с дальнейшим уменьшением (α → 0) вращающий момент уменьшается до некоторой величины. В связи с этим такой шнековой ротор с винтовыми лопастями, имеющими профиль (1) прямого геликоида, используют в наклоненном положении.In the process of changing the angle v, the z coordinate according to formula (I) changes proportionally to v and is the same for all points of the generator, therefore, all the generators in the resulting surface are horizontal. Figure 2, a-c shows the order of construction of helicoids. Frontal and horizontal projections are divided into the same number of parts. The odd, small numbers 1,3,5, (Fig. 2, a) show the projection of the point of the generatrix on the outside of the helicoid, the even numbers of 2,4, the point on the inside of the helicoid. The surface areas in the front view are equal to the left and to the right of the axis and their curvature is the same. Therefore, with a horizontal wind, the torques to the left and right of the axis are the same and the rotor does not rotate. Thus, if the wind v is directed perpendicular to the axis of the rotor (a 90 ^o ), then due to the symmetrical arrangement of the parts of the blades on both sides of the axis of the rotor, the torque is balanced and the rotor does not rotate. If the angle between the rotor axis and the wind decreases (a <90 ^o ), then the parts of the blades on one side of the rotor axis rotate edge to the wind, and on the other plane, as a result of which the torque from the second side exceeds the torque from the first and the rotor begins to rotate. At a certain angle a _opt which depends on the length of the rotor L and step S, the torque reaches a maximum, and with a further decrease (α → 0), the torque decreases to a certain value. In this regard, such a screw rotor with helical blades having a direct helicoid profile (1) is used in an inclined position.

Воронкообразная винтовая поверхность (фиг.2,б) описывается формулами

где ось z направлена вдоль оси ротора;
r- радиус расстояние от точки до оси ветроротора;
v полярный угол в поперечном сечении ветроротора;
S шаг винта;
f(r)- монотонная функция радиуса.The funnel-shaped helical surface (Fig.2, b) is described by the formulas

where the z axis is directed along the axis of the rotor;
r is the radius is the distance from the point to the axis of the wind rotor;
v the polar angle in the cross section of the wind rotor;
S screw pitch;
f (r) is the monotonic function of the radius.

На фиг.2,б показан воронкообразный геликоид, где образующая 13 является монотонной функцией радиуса z₀= f(r), например,
f(r) c(r r₁)ⁿ,(3)
где c и n -любые числа, например, c 0,1; 0,3; 1,5; n0,5; 1; 2;), r₁радиус внутренней границы геликоида. В процессе изменения угла v координата z согласно формуле (2) разная для точек образующей 13, находящихся на разных радиусах. Например, на внутреннем радиусе воронкообразного геликоида точки образующей обозначены маленькими цифрами 3, 6, 9. Для этих же образующих средние точки 2, 5, 8 имеют большие координаты z, а у наружных точек образующих 1, 4, 7 координаты z еще больше. Таким образом, винтовые линии точек геликоида на разных радиусах сдвинуты вдоль оси z. Поэтому винтовая поверхность становится несимметричной относительно плоскости, перпендикулярной к оси геликоида, т.е. приобретает воронкообразность (фиг.2,б, фронтальный вид). Вследствие воронкообразности при равенстве площадей поверхности слева и справа от оси их кривизны не одинаковы. При правой намотке винта, как показано на фиг.2, с левой стороны поверхность выпуклая, а с правой в основном вогнутая. Поэтому правая сторона будет сильнее взаимодействовать с ветровым потоком, вследствие чего возникает вращающий момент, направленный в правую сторону. Ветроротор (фиг.1, здесь ось z направлена вниз), образованный валом 1 и несколькими такими воронкообразными геликоидами 2, с одной стороны, от оси будет иметь вогнутые поверхности, а с другой выпуклые, за счет чего и будет приводиться во вращение в направлении вогнутых поверхностей. При использовании ветроротора в наклонном к ветру положении 11 за счет воронкообразности лопастей его эффективность будет неодинакова: в направлении ветра v (фиг. 1) эффективность его больше, чем в обратном, причем эффективность в этом направлении превышает эффективность наклонного шнекового ротора с прямыми винтовыми лопастями.Figure 2, b shows a funnel-shaped helicoid, where the generatrix 13 is a monotonic function of radius z ₀ = f (r), for example,
f (r) c (rr ₁ ) ⁿ , (3)
where c and n are any numbers, for example, c 0,1; 0.3; 1.5; n0.5; 1; 2;), r _{1 is the} radius of the inner boundary of the helicoid. In the process of changing the angle v, the z coordinate according to formula (2) is different for the points of the generator 13 located at different radii. For example, on the inner radius of the funnel-shaped helicoid, the points of the generator are indicated by small numbers 3, 6, 9. For the same generators, the midpoints 2, 5, 8 have large z coordinates, and the outer points of the generators 1, 4, 7 have even greater z coordinates. Thus, the helix of the helicoid points at different radii are shifted along the z axis. Therefore, the helical surface becomes asymmetric with respect to the plane perpendicular to the axis of the helicoid, i.e. acquires a funnel shape (figure 2, b, front view). Due to the funnel shape, with equal surface areas to the left and right of the axis of their curvature are not the same. With the right winding of the screw, as shown in figure 2, the surface is convex on the left side, and mainly concave on the right side. Therefore, the right side will interact more strongly with the wind flow, as a result of which there is a torque directed to the right side. The wind rotor (Fig. 1, here the z axis is directed downward) formed by the shaft 1 and several such funnel-shaped helicoids 2, on the one hand, will have concave surfaces from the axis and convex surfaces on the other, due to which it will be rotated in the direction of the concave surfaces. When using the wind rotor in position 11 inclined to the wind due to the funnel-shaped blades, its efficiency will be different: in the direction of the wind v (Fig. 1), its efficiency is greater than in the opposite direction, and the efficiency in this direction exceeds the efficiency of the inclined screw rotor with straight helical blades.

В частном случае воронкообразного геликоида (фиг.2,в) образующей является косая прямая 14, составляющая с осью геликоида угол g Такой геликоид называется косым. Он дополнительно описывается формулами
f(r) = (r-r₁)ctg(γ); γ = arcsin((r₂-r₁)/h),
где r₁ и r₂ внутренний и наружный радиусы шнекового ротора;
h высота винтовой лопасти.In the particular case of a funnel-shaped helicoid (Fig. 2, c), the generatrix is an oblique line 14, which makes the angle g with the axis of the helicoid. This helicoid is called oblique. It is additionally described by formulas
f (r) = (rr ₁ ) ctg (γ); γ = arcsin ((r ₂ -r ₁ ) / h),
where r ₁ and r _{2 are the} inner and outer radii of the screw rotor;
h the height of the helical blade.

Косой геликоид является частным случаем воронкообразного геликоида, например, при описании его с помощью формулы (3) косой будет при c ctg (γ) и n=1. На фиг.2,в точки 1, 3, 5 образующей 14 на внешнем радиусе геликоида расположены выше точек 2, 4, 6 на внутреннем радиусе. Поэтому он, как и геликоид на фиг 2,б, имеет воронкообразную форму с вогнутыми поверхностями справа от оси и выпуклыми слева. В общем случае прямой, воронкообразный и косой геликоиды не могут быть развернутыми в плоскость [6] Однако имеется один частный случай для косого геликоида, когда это возможно. В этом случае высота винтовой лопасти должна рассчитываться по формуле

Тогда геликоидные лопасти могут быть выполнены из плоского кольца с внутренним радиусом

и наружным
r_2c= r_1c + h.(6)
Внутренняя поверхность кольца радиусом r_1c будет стыковаться с валом радиусом r₁ по внутренней винтовой линии, т.к. выражение (5) для радиуса кольца r_1c, как известно, является радиусом кривизны внутренней винтовой линии геликоида. А наружный радиус кольца r_2c будет образовывать наружную поверхность геликоида радиусом r₂. С целью проверки рассчитаем длины окружностей кольца: внутренней l_1c и наружной l_2c и длины винтовых линий геликоида с длиной, равной шагу s: внутренней l₁ и наружной l₂ при параметрах (4)-(6):

Теперь определим, во сколько раз длина окружности кольца больше длины винтовой линии (внутри k₁ и снаружи k₂):

То есть k₁= k₂ k. Т.к. радиус r₂ взят произвольно, то этот результат справедлив для всех радиусов геликоида. Таким образом, по всем винтовым линиям поверхность косого геликоида с параметрами (4)-(6) укладывается одинаковое число раз в окружности кольца. Как видно из формулы (10), из кольца с параметрами (4)-(6) можно изготовить поверхность геликоида длиной, большей одного шага. При необходимости можно собирать геликоид из секторов такого кольца.An oblique helicoid is a special case of a funnel-shaped helicoid, for example, when describing it using formula (3), the oblique will be with c ctg (γ) and n = 1. In figure 2, at

points

1, 3, 5 of the generatrix 14 on the outer radius of the helicoid are located above points 2, 4, 6 on the inner radius. Therefore, it, like the helicoid in FIG. 2, b, has a funnel shape with concave surfaces to the right of the axis and convex to the left. In the general case, a straight, funnel-shaped, and oblique helicoids cannot be turned into a plane [6] However, there is one particular case for an oblique helicoid, when possible. In this case, the height of the screw blade should be calculated by the formula

Then the helicoid blades can be made of a flat ring with an inner radius

and outdoor
r _2c = r _1c + h. (6)
The inner surface of the ring of radius r _1c will dock with the shaft of radius r ₁ along the internal helix, because expression (5) for the radius of the ring r _1c , as is known, is the radius of curvature of the helicoid's internal helix. And the outer radius of the ring r _2c will form the outer surface of the helicoid with radius r ₂ . In order to check, we calculate the circumference of the ring: inner l _1c and outer l _2c and helix helix lengths with a length equal to step s: inner l ₁ and outer l ₂ with parameters (4) - (6):

Now we determine how many times the circumference of the ring is greater than the length of the helix (inside k ₁ and outside k ₂ ):

That is, k ₁ = k ₂ k. Because the radius r _{2 is} taken arbitrarily, then this result is valid for all helicoid radii. Thus, along all helical lines, the surface of an oblique helicoid with parameters (4) - (6) fits the same number of times in the circle of the ring. As can be seen from formula (10), from a ring with parameters (4) - (6) it is possible to make a surface of a helicoid with a length greater than one step. If necessary, you can collect a helicoid from sectors of such a ring.

Шнековый ветроротор (фиг.1) работает следующим образом. При направлении ветра v нагрузку воспринимают расположенные слева от оси вогнутые участки лопастей (на фиг. 1 показан трехзаходный воронкообразный геликоид с правой навивкой и направленной вниз остью z), вследствие этого возникает направленный влево вращающий момент. При смене направления ветра момент не изменяется. Ветроротор вращается в подшипниковых опорах 4 и 5 и через передачу 8 вращение от него передается мультипликатору 9, а затем электрогенератору 10. Ветроротор может монтироваться в горизонтальном положении, соединяться внизу с шарниром 6, затем с помощью растяжек 7 и дополнительной стойки (падающей стрелы, на фиг.1 не показана) известными методами подниматься в вертикальное положение. В местностях с неизменным направлением ветра ветроротор может использоваться в наклонном положении так, чтобы ось z составляла с ветром тупой угол (на фиг.1, положение II). В этом случае воронкообразные винтовые лопасти как бы захватывают ветровой поток. В наклонном положении шнековый ветроротор с воронкообразными лопастями можно использовать и в ориентируемых конструкциях, как используется шнековый ротор с прямыми лопастями, но эффективность его будет большая, нежели у прямого. Screw rotor (figure 1) works as follows. With wind direction v, the load is perceived by the concave portions of the blades located to the left of the axis (Fig. 1 shows a three-way funnel-shaped helicoid with right-hand winding and a downward z-axis), as a result, a torque directed to the left arises. When changing the direction of the wind, the moment does not change. The wind rotor rotates in the bearings 4 and 5 and through the transmission 8 the rotation from it is transmitted to the multiplier 9, and then to the generator 10. The wind rotor can be mounted in a horizontal position, connected at the bottom with the hinge 6, then with the help of braces 7 and an additional rack (falling boom, on figure 1 is not shown) by known methods to rise in a vertical position. In areas with a constant wind direction, the wind rotor can be used in an inclined position so that the z axis makes an obtuse angle with the wind (in Fig. 1, position II). In this case, the funnel-shaped helical blades capture the wind flow. In an inclined position, a screw rotor with funnel-shaped blades can also be used in orientable designs, as a screw rotor with straight blades is used, but its efficiency will be greater than that of a direct one.

Участки винтовых лопастей шнекового ротора имеют острый угол атаки с набегающим потоком и вращающий момент создается как за счет разности сопротивления лопастей по обеим сторонам ротора, так и за счет подъемных сил. Вследствие этого коэффициент использования энергии ветра повышается в сравнении с ротором Савониуса. Кроме того, в течение оборота в шнековом роторе нет перерывов взаимодействия лопастей с ветровым потоком в направлении вращения, вследствие чего эффективность увеличивается дополнительно до величин ξ0.3, как для многолопастных ветроколес [2]
Находящиеся под ветровой нагрузкой участки винтовой лопасти поддерживаются соседними по длине участками лопастей, поэтому напряжения от центробежных и изгибающих нагрузок в лопасти в шнековом роторе значительно меньше (на 1-2 порядка).The sections of the screw blades of the screw rotor have an acute angle of attack with the incoming flow and the torque is created both due to the difference in the resistance of the blades on both sides of the rotor, and due to the lifting forces. As a result of this, the coefficient of utilization of wind energy is increased in comparison with the Savonius rotor. In addition, during a turn in the screw rotor there are no interruptions in the interaction of the blades with the wind flow in the direction of rotation, as a result of which the efficiency increases additionally to ξ0.3, as for multi-blade wind wheels [2]
The sections of the screw blade located under the wind load are supported by the sections of the blades adjacent along the length, therefore, the stresses from centrifugal and bending loads in the blades in the screw rotor are much less (by 1-2 orders of magnitude).

В течение одного оборота с ветровым потоком взаимодействует практически одна и та же величина площади поверхности винтовых лопастей (изменяются лишь разные участки лопастей). Поэтому по сравнению с роторами Савониуса и Дарье шнековый ветроротор с воронкообразными винтовыми поверхностями характеризуется высокой плавностью работы, отсутствием вибрации и усталостной нагрузки, вызванных цикличностью работы, значительно меньшими акустическими и электромагнитными помехами и пониженным воздействием на птиц и других животных (отсутствуют вибрации для грызунов и шум для наземных). Заявляемый ветроротор испытывает меньшие изгибающие и центробежные нагрузки, особенно по сравнению с ветроротором Дарье и Дарье-подобными роторами. В сравнении с ротором Савониуса он имеет больший коэффициент использования энергии ветра, а по сравнению с быстроходными Дарье-подобными ветророторами, у которых малый начальный вращающий момент, заявляемый ветроротор имеет большую выборку энергии при малых скоростях. По сравнению со шнековым ротором с прямыми винтовыми лопастями заявляемый ветроротор имеет большую эффективность в наклонном положении, более простую технологию изготовления (в случае выполнения в соответствии с формулами (4)-(6), может использоваться в вертикальном положении, что конструктивно упрощает ветроустановку и позволяет более эффективно использовать энергию ветра независимо от его направления. During one revolution, almost the same value of the surface area of the screw blades interacts with the wind flow (only different sections of the blades change). Therefore, in comparison with Savonius and Daria rotors, a screw wind rotor with funnel-shaped helical surfaces is characterized by high smoothness of operation, lack of vibration and fatigue load caused by cyclic operation, significantly less acoustic and electromagnetic interference and reduced exposure to birds and other animals (there are no vibrations for rodents and noise for ground). The inventive wind rotor experiences less bending and centrifugal loads, especially in comparison with the Daria and Daria-like rotors. Compared with the Savonius rotor, it has a higher coefficient of use of wind energy, and compared with the fast Daria-like wind rotors, which have a small initial torque, the inventive wind rotor has a large energy sample at low speeds. Compared with a screw rotor with straight helical blades, the inventive wind rotor has greater efficiency in an inclined position, a simpler manufacturing technology (if performed in accordance with formulas (4) - (6), can be used in a vertical position, which structurally simplifies wind installation and allows more efficient use of wind energy regardless of its direction.

Было выполнено несколько шнековых ветророторов с воронкообразными винтовыми лопастями, имеющих диаметры D₂ и длину L:
трехзаходный ветроротор с D₂=147 мм, L=690 мм, по формулам (4)-(6);
трехзаходный ветроротор с D₂=200 мм, L=920 мм, (воронкообразная винтовая поверхность образовалась пятью секторами на один шаг);
трехзаходный ветроротор с D₂=184 мм, L=920 мм, по формулам (4)-(6);
двухзаходный ветроротор с D₂=200 мм, по формулам (4)-(6) (винтовая поверхность образована тремя секторами на один шаг);
а также другие вертороторы, в том числе и с прямыми винтовыми лопастями. Эти четыре ротора имели разную воронкообразность. Все они под воздействием ветрового потока хорошо вращались в вертикальном положении. Особенно эффективно работа воронкообразных винтовых ветророторов выглядела по сравнению с наклонными ветророторами с прямыми геликоидными лопастями при неустойчивом по направлению ветре. Воронкообразные винтовые ветророторы несмотря на неустойчивый ветер вращались практически равномерно, в то время как у наклонных неориентируемых вращение было переменчиво, а наклонные ориентируемые постоянно изменяли свое положение.Several screw rotors with funnel-shaped helical blades having diameters D ₂ and length L were made:
three-way wind rotor with D ₂ = 147 mm, L = 690 mm, according to formulas (4) - (6);
three-way wind rotor with D ₂ = 200 mm, L = 920 mm, (a funnel-shaped helical surface was formed by five sectors at one step);
three-way wind rotor with D ₂ = 184 mm, L = 920 mm, according to formulas (4) - (6);
two-way wind rotor with D ₂ = 200 mm, according to formulas (4) - (6) (a helical surface is formed by three sectors at one step);
as well as other rotor rotors, including those with straight helical blades. These four rotors had different funnel shapes. All of them, under the influence of the wind flow, rotated well in a vertical position. The funnel-shaped helical wind rotors looked especially effective compared to inclined wind rotors with straight helicoid blades with unstable wind direction. The funnel-shaped helical wind rotors, despite the unstable wind, rotated almost uniformly, while the rotation of the inclined non-orientable was variable, and the inclined orientable constantly changed their position.

Ветророторы с прямыми винтовыми лопастями и ветроротор с воронкообразными лопастями N1 продувались в аэродинамической трубе. В результате продувки было установлено, что в наклонном положении коэффициент использования энергии ветра x ветроротора N1 в 1,34 раза больше, чем для ветроротора с прямыми винтовыми лопастями. Поэтому заявляемый ветроротор имеет большую энергетическую эффективность как в вертикальном, так и в наклонном положении. Wind rotors with straight helical blades and a wind rotor with funnel-shaped blades N1 were blown in a wind tunnel. As a result of the purge, it was found that in the inclined position, the coefficient of use of wind energy x of the N1 wind rotor is 1.34 times greater than for a wind rotor with straight helical blades. Therefore, the inventive wind rotor has great energy efficiency both in a vertical and in an inclined position.

Источники информации:
1. Зубарев В.В. Минин В.А. Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л. Наука,1989,с.208(см.с.9).Sources of information:
1. Zubarev V.V. Minin V.A. Stepanov I.R. Use of wind energy in the North. L. Nauka, 1989, p. 208 (see p. 9).

2. Ветроэнергетика.Под ред. Д.Рензо. Пер. В.В.Зубарева, М.О. Франкфурта под ред. Я.И.Шефтера.-М. Энергоатомиздат,1982,с.272 (см. с. 44, рис. 1.22). 2. Wind Energy. Ed. D. Renzo. Per. V.V. Zubareva, M.O. Frankfurt, ed. J.I. Shefter.-M. Energoatomizdat, 1982, p. 272 (see p. 44, Fig. 1.22).

3. Зубарев В.В. Мишин В.А. Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера.-Л. Наука,1989,с.208(см. с. 32). 3. Zubarev V.V. Mishin V.A. Stepanov I.R. The use of wind energy in the North.-L. Science, 1989, p. 208 (see p. 32).

4. Патент России 1225912,4 МКИ F 03 D 5/00, 1986. 4. Russian patent 1225912.4 MKI F 03 D 5/00, 1986.

5. Математический энциклопедический словарь.-М. Советская энциклопедия, 1988,848 с. (см.с. 141). 5. Mathematical Encyclopedic Dictionary.-M. Soviet Encyclopedia, 1988.848 p. (see p. 141).

6. Гордон В.О. Семенцов-Огиевский М.А. Курс начертательной геометрии. - М. Наука,1988,с.272 (см. с. 160). 6. Gordon V.O. Sementsov-Ogievsky M.A. Descriptive geometry course. - M. Nauka, 1988, p. 272 (see p. 160).

Claims

1. Screw rotor containing a shaft and screw blades fixed to it, characterized in that the screw blades are funnel-shaped with Cartesian coordinates of surface points

where the Z axis is directed along the axis of the wind rotor;
r radius, distance from points to the axis of the rotor;
v is the polar angle in the cross section of the wind rotor;
S screw pitch;
f (r) is a monotonic radius function.

2. The rotor according to claim 1, characterized in that the funnel-shaped helical blades are made in the form of an oblique helicoid and are described by the formulas
f (r) = (rr ₁ ) ctg (γ);
γ = arcsin ((r ₂ -r ₁ ) / h),
where r ₁ and r _{2 the} inner and outer radii of the wind rotor;
γ is the angle between the axis and the generatrix of the oblique helicoid;
h the height of the helical blade, calculated by the formula

the blade is made of a flat ring with an inner radius

and outer radius
r _2c r _1c + h.

3. The wind rotor according to claims 1 and 2, characterized in that the wind rotor is installed vertically.