ВЕТРОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F03D1/04 

Настоящее изобретение относится к турбинам пропеллерного типа. В уровне техники очевидно, что некоторые усовершенствования можно сделать для улавливания более высокого процента энергии из данного поперечного сечения ветра, доступного для их лопастей рабочего колеса. Исходя из известных принципов физики и аэродинамики стали очевидными некоторые серьезные возможности и альтернативы. В настоящее время растет спрос на экологически чистую выработку энергии. Эксплуатационные затраты, включая ремонтные работы по устранению повреждений из-за непогоды в пригородных и сельских системах распределения электроэнергии, достигли уровня, после которого эти системы становятся нерентабельными. Это положение создает стимул к изобретению и разработке более эффективной и локализованной выработки электроэнергии в диапазоне от пятидесяти киловатт до одного мегаватта.

Было установлено, что успешное достижение излагаемых ниже целей приведет к созданию нового типа ветроэнергоустановки с очень высоким КПД.

Во-первых, обеспечивается решение вопроса улавливания энергии ветра, не захватываемой внутренними пятьюдесятью процентами радиальной длины систем с неподвижными лопастями, как это обычно для существующего уровня техники ветротурбин.

Во-вторых, будет создана вентроэнергоустановка, которая более эффективно улавливает используемые уровни энергии в более широком диапазоне значений скорости ветра.

В-третьих, будет создана ветроэнергоустановка, выполненная с возможностью извлечения максимального процента энергии ветра. То есть может быть получена ветроэнергоустановка, такая же эффективная как паро- и газотурбина.

В четвертых, будет сконструирована и выполнена ветроэнергоустановка, в меньшей, или в намного меньшей, степени нарушающей ландшафт ее местоположения своим контуром.

Существующие известные турбинные ветроэнергоустановки с лопастями не улавливают очень значительный процент энергии поперечного сечения ветра, поступающего на эти установки. Трехлопастные рабочие колеса ненамного больше улавливают эту энергию. Технические решения известного уровня техники с большим числом лопастей могут дать некоторое усовершенствование в рамках малогабаритных систем. Внутренние 50% радиуса ветроэнергосистем, действующих от рабочего колеса, не улавливают значительную часть поперечного сечения поступающей энергии. Наиболее практическим решением будет задействование внутренних 50% радиуса лопастей рабочего колеса от центра их оси, чтобы эффективно блокировать этот участок и получить доступ к энергии измененного направления при помощи лопастей турбины, проходящих по радиусу за заблокированный участок.

Предпочтительный в настоящее время вариант осуществления изобретения применяет сферический обтекатель, далее «ускоряющий мяч», расположенный перед радиусом от центра оси к внешним концам лопастей турбины и охватывающий более 50% этого радиуса. Ускоряющий мяч увеличивает скорость энергии ветра измененного направления, чтобы полностью задействовать большее число более коротких лопастей турбины.

Возрастание величины скорости ветра, когда поступающий ветер искривляется вокруг полусферического ускоряющего обтекателя, теоретически составляет 1/4 окружности сферического обтекателя по его радиусу к его центральной точке, и эта величина составляет от 1,57 до 1. Значение этого заключается в том, что имеющаяся кинетическая энергия движущейся воздушной массы при данной скорости ветра является кубической функцией. Это означает, что нетто-увеличение скорости ветра, что было подтверждено экспериментально, составляет 46% после вычета факторов лобового сопротивления. Получаемое увеличение, в мощности в ваттах, кинетической энергии: 1,46 в кубе, или около 311%. Это увеличение имеющейся энергии названо «повышением кинетической энергии». Имеющаяся математическая формула подсчета ваттов на квадратный метр воздуха в движении использует стандартную массу или вес на кубический метр воздуха на данной высоте и при данной температуре. Полная математическая формула определения имеющихся ваттов на квадратный метр в движущейся массе воздуха, более подробно поясняемая Американской ассоциацией энергии ветра, не учитывает сжатие. Однако сжатие поступающей массы воздуха будет увеличивать ее вес из расчета на кубический метр, и это даст дополнительную выгоду с точки зрения имеющейся мощности в ваттах на квадратный метр, и эта дополнительная выгода также будет кубической функцией. Пример преимущества применения сжатия: коэффициент сжатия составляет 25%, что увеличивает имеющуюся мощность в ваттах на квадратный метр до 1,25 в кубе, в итоге - 1,953. Поэтому мы должны получить еще 95% к имеющейся мощности в ваттах на квадратный метр. Этот способ увеличения имеющейся кинетической энергии на квадратный метр назван «повышением кинетической энергии».

Уровень техники ветротурбинных систем (см., например, патент на полезную модель RU 12195 U1) ограничивается диапазоном скоростей ветра, из которых они могут уловить полезное количество энергии ветра. Сферический обтекатель увеличивает скорость ветра, изменяющего направление от внутренних 50% радиуса от центра к концу лопасти узла ротора турбины и лопастей, но более быстрый ветер будет воздействовать только на внутреннюю по радиусу часть лопастей турбины. Для выравнивания потока ветра, идущего через рабочий проем, в котором находится многолопастный ротор турбины, используется имеющий сложную кривую воздухозаборник совкового типа, который зачерпывает внутрь более крупный объем поступающего ветра к упомянутым более коротким и более многочисленным лопастям турбины. Этот кольцевой воздухозаборник совкового типа также выполнен с обращенным внутрь аэродинамическим профилем, который увеличивает скорость захваченного ветра - в основном в той же степени, что и при помощи упомянутого обтекателя. Общее назначение заключается в увеличении скорости поступающего ветра, и затем - в равномерном распределении этого более быстро двигающегося потока ветра по проему, в котором находится большее число более коротких лопастей турбины. Еще одно преимущество этого воздухозаборника совкового типа заключается в том, что он захватывает увеличенный объем поступающего ветра, тем самым создавая сжатие, увеличивая массу или вес попадающего на лопасти турбины потока воздуха, при этом повышая мощность в ваттах кинетической энергии, воздействующей на лопасти турбины. За счет сочетания увеличенной длины внешней периферии, выполненной в форме аэродинамического профиля, проходящего назад от переднего внешнего края воздухозаборника совкового типа и направленным наружу расширением внутренней периферии, проходящей назад за узел ротора турбины и лопастей, на выпуске создается пониженное давление или разрежение. Таким образом, получен ветротурбинный двигатель с наддувом на его входе, с повышенной скоростью и сжатием массы ветра, поступающего в цилиндрический кожух ротора турбины и лопастей; причем все лопасти должным образом задействуются для создания максимального крутящего момента.

При этом создается выпускная область с постоянно снижающимся давлением позади узла ротора турбины и лопастей. В данном варианте осуществления изобретения присутствуют все основные свойства турбинного двигателя. В данном варианте ветротурбинного двигателя угол поворота лопастей турбины регулируется. В трехлопастной ветротурбине известного уровня техники лопасти выполнены с возможностью использования аэродинамической подъемной силы, и поэтому короткие лопасти этой ветротурбины должны иметь такую форму, чтобы улавливать прямой крутящий момент в большей степени. В этом варианте осуществления изобретения регулирование угла поворота лопастей имеет существенное значение, чтобы в максимальной степени использовать полный диапазон скоростей ветра, и также чтобы лопасти турбины можно было установить в полностью открытое нейтральное положение в случае излишне высокой скорости ветра; при этом лопасти приводятся в действие более непосредственно аэродинамической подъемной силой, и продолжают вырабатывать электроэнергию. Очевидно, что при гораздо более высоком КПД создается ситуация, когда ветротурбинный двигатель будет иметь значительно меньший размер, относительно его потенциала производительности, по сравнению с ветровыми турбинами известного уровня техники.

Согласно настоящему изобретению для разработки предлагается новая концепция для инженеров и других специалистов данной области техники. Некоторые усовершенствования, как обычно, будут сделаны для того, чтобы улавливать абсолютное максимальное количество энергии ветра в будущих вариантах воплощения изобретения.

Несмотря на то, что этот предпочтительный вариант осуществления изобретения в основном направлен на создание использующего энергию ветра устройства для работы в пределах от 50 киловатт до 1 мегаватта, предполагается, что его производительность может быть доведена приблизительно до 5 мегаватт. Специалисты в данной области техники уже довели потенциальную производительность систем с трехлопастным рабочим колесом в наиболее крупных ветровых турбинах до 2,5 мегаватт. Будущие крупные варианты данного изобретения должны быть сопоставимыми с этой цифрой и могут в конечном счете ее удвоить.

Кроме того, предвидятся некоторые возможности того, что особые варианты осуществления данного изобретения можно применить в гидроэнергетике и для приводов и, вероятно, также для систем вентиляционной циркуляции воздуха с высоким КПД.

Таким образом, согласно настоящему изобретению создана турбина для текучей среды, содержащая: узел ротора и лопастей, включающий в себя: ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения; множество лопастей, каждая из которых имеет конец, причем концы лопастей определяют радиус конца лопасти по отношению к оси вращения; смещающий текучую среду обтекатель, блокирующий, по меньшей мере, 50% радиуса конца лопасти от оси вращения к концам лопасти и имеющий форму, обеспечивающую изменение направления блокированной текучей среды к лопастям, проходящим по радиусу за область блокировки; кольцевой заборник текучей среды совкового типа и узел вмещения проходящего потока, окружающий узел ротора и лопастей; причем вмещающий узел имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, при этом форма внешней поверхности вмещающего узла выполнена в форме аэродинамического профиля, который обеспечивает сходящийся поток воздуха для усиления выхода из турбины.

Предпочтительно, внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность выпускного канала, расширяющуюся назад от лопастей.

Предпочтительно, внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность, повышающую скорость текучей среды в сторону лопастей и имеющую форму, которая повышает скорость поступающей в турбину текучей среды.

Предпочтительно, внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность выпускного канала, расширяющуюся назад от лопастей.

Предпочтительно, поверхность, повышающая скорость текучей среды, выполнена частично вогнутой и частично выпуклой.

Предпочтительно, внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность выпускного канала, расширяющуюся назад от лопастей.

Предпочтительно, смещающий текучую среду обтекатель являются, по меньшей мере, частично сферическими.

Предпочтительно, каждая лопасть имеет регулируемый угол поворота.

Предпочтительно, турбина дополнительно содержит генератор, функционально связанный с ротором.

Предпочтительно, турбина дополнительно содержит поворотную опору, выполненную и установленную с возможностью поворота на несущей вышке.

Предпочтительно, лопасти расположены в двух отстоящих друг от друга рядах.

Предпочтительно, турбина дополнительно содержит стабилизаторы потока между рядами лопастей.

Предпочтительно, турбина является ветротурбиной.

Предпочтительно, турбина является гидротурбиной.

На Фиг.1 показан вид сбоку с местными разрезами предпочтительного варианта осуществления изобретения, установленного на поворотном верхе его несущей высотной платформы, имеющего ротор турбины и двенадцать турбинных лопастей; причем вид поперечного сечения воздухозаборника совкового типа показывает ротор и лопасти турбины. Прочие подробности, имеющие механический характер, являются известными в уровне техники и для пояснения существенных принципов, частностей и новизны, и изобретательского уровня они не нужны.

На Фиг.2 показана вертикальная проекция этого же варианта осуществления ветротурбинного двигателя, установленного на поворотном верхе вышки; показаны область захвата ветра, воздухозаборник совкового типа, лопасти турбины и закрытая опора аэродинамического профиля и упрочняющие элементы для ветрозаборника совкового типа, а также внутренняя система оси и привода.

На Фиг.3 показан вид сзади того же ветротурбинного двигателя на верху монтажной вышки; причем вид является видом непосредственно сзади.

На Фиг.4 показан вид сбоку ветротурбинного двигателя на верху монтажной вышки; причем вид является видом непосредственно сбоку (аналогично внешнему виду турбореактивного двигателя), в основном заключенного в продолженную аэродинамическую форму узла ветрозаборника совкового типа и канала прохождения.

На Фиг.5 показан упрощенный чертеж трехрядной системы лопастей, которую можно применить для ротора турбины, внутри камеры прохождения потока и привода турбины соответственно; причем показано, что одно кольцо 12 стабилизирующих лопастей неподвижно установлено на внутренней поверхности камеры прохождения потока и турбинного привода непосредственно между двумя приводимыми в движением ветром рядами лопастей турбины, установленных на и прикрепленных к единому ротору турбины. Стабилизирующие лопасти гасят и сглаживают турбулентность и, будучи надлежащим образом сформированы и выполнены, могут повысить КПД.

Исходя из вышеизложенного и прочих целей, преимуществ или обладающих новизной признаков, которые могут стать очевидными из этого описания: настоящее изобретение представляет собой изобретательский замысел, который осуществлен, выполнен или предусмотрен в различных конкретных вариантах осуществления этого замысла, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На Фиг.1 показан вид сбоку местными разрезами предпочтительного варианта осуществления изобретения, установленного на поворотном верхе платформы несущей вышки; причем представлен узел 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха канала прохождения, содержащий: частично вогнутую и частично выпуклую S-образную увеличивающую скорость поверхность 1а, поверхность 1b зоны канала прохождения и камеры привода турбины, поверхность 1с расширяющегося назад выпускного канала и внешнюю аэродинамическую искривленную поверхность 1d, которая обеспечивает схождение воздушного потока для усиления всасывания на выходе. Также показан имеющий форму полусферы обтекатель 2 смещения ветра и повышения скорости; установленные в радиальном направлении имеющие аэродинамический профиль несущие элементы 3 переднего конца для узла 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха прохождения потока, которые также являются опорой для переднего конца находящейся в кожухе оси/приводного вала (не показаны); и также представлены: лопасти 4 турбины, установленные на роторе 5 турбины, корпус 6 кожуха для оси/приводного вала, механических компонентов и компонентов электрогенератора; и также показаны: задняя несущая опора и упрочняющие элементы 7, поворотный несущий стол 8 для всего ветротурбинного двигателя, вместе с его кожухом и несущими опорами; при этом двигатель установлен на верхнем конце несущей вышки 9 и прикреплен к ней.

Ниже приводится пояснение функциональных возможностей в целях достижения оптимальных рабочих показателей. Рассмотрим узел 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха прохождения потока, в котором увеличивающая скорость, выполненная частично вогнутой и частично выпуклой S-образной, выступающая вперед, обращенная внутрь поверхность 1а выполнена с возможностью обеспечения по существу той же величины повышения скорости поступающего ветра, что и обтекатель 2 смещения ветра и повышения скорости. Обращенную внутрь поверхность узла 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха прохождения потока и наружный диаметр обтекателя 2 смещения ветра и повышения скорости можно установить с промежутком между ними, или отделить их друг от друга на идеальное расстояние, чтобы было достигнуто приемлемое значение сжатия массы поступающего ветра, при этом без значительного замедления упомянутой массы поступающего ветра. Важно, чтобы имелась сбалансированная точка радиальной длины этого отделяющего их друг от друга расстояния: для компромисса между обеспечением наибольшего сжатия, ограничивающего снижение скорости проходящего ветра, и, с другой стороны, выброса некоторой части массы поступающего ветра. Лопасти 4 турбины, возможно, не смогут достаточно быстро воспринимать всю массу сжатого воздуха, чтобы сохранять ровность потока, достаточную для наивысших уровней захвата энергии этими лопастями 4 турбины. Оптимальные возможные соотношения прироста энергии, получаемые за счет увеличения скорости и за счет сжатия, не будут достигнуты без точного применения упомянутой балансировки; при этом оптимальное соотношение будет обеспечивать наивысшие уровни захвата энергии в широких пределах скорости ветра.

Следует также отметить, что лопасти ветротурбинного двигателя размещены, установлены и работают в пределах внешних 50% радиуса от центра оси к концам лопастей. Этот фактор также в некоторой степени влияет на балансировку. Надлежащим образом сбалансированная система воздухозабора для входящего объема, увеличение скорости и сжатие являются наиболее важными параметрами, обеспечивающими получение наибольшего количества энергии из расчета на один квадратный метр.

На Фиг.2 показана вертикальная проекция того же варианта осуществления ветротурбинного двигателя; причем представлен непосредственный, не загораживаемый, вид спереди признаков узла 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха прохождения потока, а именно: S-образной поверхности(ей) 1а ветрозаборника совкового типа и внешней аэродинамической поверхности 1d; и также смещающего ветер и повышающего скорость обтекателя 2 в виде ускоряющего мяча, несущих и упрочняющих элементов 3 переднего конца, лопастей 4 турбины, корпуса 6 кожуха, поворотного опорного стола 8 и неподвижного верхнего конца несущей вышки 9.

При этом можно заметить значительное сходство этого вида с видом спереди турбореактивного двигателя крупного пассажирского самолета.

На Фиг.3 показан вид сзади этого же варианта осуществления ветротурбинного двигателя. Представлен непосредственный, не загораживаемый вид сзади признаков узла 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха прохождения потока: расположенная внутри поверхность 1с расширяющегося назад выпускного канала, внешняя аэродинамическая поверхность 1d; а также несущие элементы 3 переднего конца, лопасти 4 турбины, корпус 6 кожуха, задние несущие элементы 7, поворотный опорный стол 8, установленный на верхнем конце несущей вышки 9.

На Фиг.4 показан вид сбоку ветротурбинного двигателя; причем представлены: внешняя аэродинамическая поверхность 1d узла 1 ветрозаборника совкового типа и кожуха прохождения потока, корпус 6 кожуха, задние несущие элементы 7 и также поворотный опорный стол 8, установленный на верхнем конце несущей вышки 9.

На Фиг.5 показан частичный местный вид второго предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, где два ряда двенадцати лопастей 4 и 11 ротора турбины установлены на проходящем назад приводном роторе 5; причем упомянутые два ряда лопастей турбин отстоят друг от друга на некотором расстоянии на упомянутом проходящем назад роторе 5 для позиционирования неподвижного невращающегося кольцевого узла из двенадцати стабилизирующих поток лопастей 10, с надлежащим зазором между упомянутым узлом 10 стабилизирующих лопастей и двумя рядами лопастей 4 и 11 турбины; при этом упомянутое кольцо двенадцати стабилизирующих поток лопастей неподвижно прикреплено к внутренней периферии продолженной поверхности 1b области привода турбин и канала прохождения потока. Все другие элементы, не являющиеся существенными для размещения двух рядов лопастей 4 и 11 турбин, со стабилизирующими поток лопастями 10, расположенными между упомянутыми двумя рядами лопастей турбины на проходящем назад роторе 5, полностью пронумерованы и объяснены со ссылкой на Фиг.1, 2 и 3 соответственно.

На основе излагаемого выше подробного описания вместе с прочими соответствующими комментариями и объяснениями сформулированные здесь задачи объекта изобретения надлежащим образом решены и являются легко достижимыми. Несмотря на то что в данном описании представлены и описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, подразумевается, что изобретение ими не ограничивается, и его можно осуществить по-иному различно в рамках объема приведенной ниже формулы изобретения.

Турбина содержит узел ротора и лопастей, включающий в себя ротор, смещающий текучую среду обтекатель, блокирующий, по меньшей мере, 50% радиуса конца лопасти от оси вращения к концам лопасти и имеющий форму, обеспечивающую изменение направления блокированной текучей среды к лопастям, проходящим по радиусу за область блокировки. Также турбина содержит кольцевой заборник текучей среды совкового типа и узел вмещения проходящего потока, окружающий узел ротора и лопастей. Форма внешней поверхности вмещающего узла выполнена в форме аэродинамического профиля, который обеспечивает сходящийся поток воздуха для усиления выхода из турбины. Изобретение направлено на повышение КПД и мощности, создание максимального крутящего момента. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбина для текучей среды, содержащая: узел ротора и лопастей, включающий в себя: ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения; множество лопастей, каждая из которых имеет конец, причем концы лопастей определяют радиус конца лопасти по отношению к оси вращения; смещающий текучую среду обтекатель, блокирующий, по меньшей мере, 50% радиуса конца лопасти от оси вращения к концам лопасти и имеющий форму, обеспечивающую изменение направления блокированной текучей среды к лопастям, проходящим по радиусу за область блокировки; кольцевой заборник текучей среды совкового типа и узел вмещения проходящего потока, окружающий узел ротора и лопастей; причем вмещающий узел имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, при этом форма внешней поверхности вмещающего узла выполнена в форме аэродинамического профиля, который обеспечивает сходящийся поток воздуха для усиления выхода из турбины.

2. Турбина по п.1, в которой внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность выпускного канала, расширяющуюся назад от лопастей.

3. Турбина по п.1, в которой внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность, повышающую скорость текучей среды в сторону лопастей и имеющую форму, которая повышает скорость поступающей в турбину текучей среды.

4. Турбина по п.3, в которой внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность выпускного канала, расширяющуюся назад от лопастей.

5. Турбина по п.3, в которой поверхность, повышающая скорость текучей среды, выполнена частично вогнутой и частично выпуклой.

6. Турбина по п.5, в которой внутренняя поверхность вмещающего узла имеет поверхность выпускного канала, расширяющуюся назад от лопастей.

7. Турбина по любому из пп.1-6, в которой смещающий текучую среду обтекатель является, по меньшей мере, частично сферическим.

8. Турбина по любому из пп.1-6, в которой каждая лопасть имеет регулируемый угол поворота.

9. Турбина по любому из пп.1-6, дополнительно содержащая генератор, функционально связанный с ротором.

10. Турбина по любому из пп.1-6, дополнительно содержащая поворотную опору, выполненную и установленную с возможностью поворота на несущей вышке.

11. Турбина по любому из пп.1-6, в которой лопасти расположены в двух отстоящих друг от друга рядах.

12. Турбина по п.11, дополнительно содержащая стабилизаторы потока между рядами лопастей.

13. Турбина по любому из пп.1-6, являющаяся ветротурбиной.

14. Турбина по любому из пп.1-6, являющаяся гидротурбиной.