СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ УРОВНЯ МОЩНОСТИ, ВЫРАБАТЫВАЕМОЙ ТУРБИНОЙ ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2012 года по МПК F03D1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к ветротурбинам. Более конкретно, оно относится к способам для ветротурбин.

Уровень техники

Ветротурбины обычно содержат устройство типа пропеллера, называемое «ротором», которое обращено к движущемуся воздушному потоку. Когда воздух сталкивается с ротором, воздух создает усилие, действующее на ротор таким образом, что это вызывает вращение ротора вокруг его центра. Ротор соединен или с электрическим генератором, или с механическим устройством посредством соединительных элементов, таких как зубчатые колеса, ремни, цепи или другие средства. Подобные турбины используются для выработки электроэнергии и питания аккумуляторных батарей. Они также используются для приведения в действие ротационных (вращательных) насосов и/или движущихся деталей машин. Очень часто можно обнаружить ветротурбины в больших вырабатывающих электроэнергию ветровых электростанциях в виде «полей ветротурбин», содержащих множество подобных турбин, расположенных с образованием геометрического рисунка, предназначенного для обеспечения возможности максимального отбора энергии при минимальном воздействии каждой подобной турбины на другую и/или на окружающую среду.

Способность ротора преобразовывать энергию текучей среды во вращательную энергию, когда он размещен в потоке очень большой ширины по сравнению с его диаметром, ограничена ясно и документально подтверждаемой теоретической величиной, составляющей 59,3% от энергии набегающего потока, известной как предел Бетца и документально подтвержденной A. Betz в 1926 г. Данное предельное значение эффективности в особенности применимо для обычной многолопастной осевой ветротурбины/гидротурбины, представленной на фиг.1А, обозначенной как предшествующий уровень техники.

Были предприняты усилия в попытке увеличить эксплуатационные возможности ветротурбины за предел Бетца. Были использованы бандажи или трубы, окружающие ротор. См., например, патент США 7,218,011 на имя Hiel и др. (см. фиг.1В); патент США 4,204,799 на имя de Geus (см. фиг.1C); патент США 4,075,500 на имя Oman и др. (см. фиг.1D) и патент США 6,887,031 на имя Tocher. Кожухи (бандажи), имеющие надлежащую конструкцию, вызывают ускорение набегающего потока по мере его концентрации в центре трубы. Обычно в случае ротора с надлежащей конструкцией данная увеличенная скорость потока обеспечивает создание большего усилия, действующего на ротор, и, следовательно, более высокие уровни отбора энергии. Тем не менее, лопатки ротора часто распадаются вследствие сдвигающих и растягивающих сил, имеющих место в случае более сильных ветров.

Как утверждается, величины, превышающие в два раза предел Бетца, были зафиксированы, но не были стабильными. См. работу Igar, О. Shrouds for Aerogenerators (Бандажи для ветроэнергетических установок), AIAA Journal (Американский институт аэронавтики и астронавтики), октябрь, 1976, стр.1481-83; Igar & Ozer, Research and Development for Shrouded Wind Turbines (Исследования и разработки для бандажированных ветротурбин), Energy Cons. & Management, Vol. 21, pp.13-48, 1981, и см. Техническую заметку Американского института аэронавтики и астронавтики, озаглавленную «Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited» («К вопросу о ветротурбинах и гидротурбинах и винтах в кольцевых обтекателях»), авторами которой является заявитель («Техническая заметка заявителя для Американского института аэронавтики и астронавтики») и которая принята для публикации. Копии можно найти в заявлении заявителя о раскрытии информации. Однако подобные притязания не доказали свою стабильность на практике, и имеющиеся результаты испытаний не подтвердили осуществимость подобного увеличения при реальном применении ветротурбин.

Для достижения подобных увеличенных мощности и эффективности необходимо обеспечить тщательное согласование аэродинамических конструкций бандажа и ротора с иногда очень сильно изменяющимися скоростями набегающего потока текучей среды. Подобные соображения в отношении аэродинамических конструкций также играют важную роль для обусловленного ими воздействия турбин, приводимых в действие потоком текучей среды, на окружающую среду и уровня эффективности конструкций ветроэнергетических установок (полей ветротурбин).

Эжекторы представляют собой хорошо известные и раскрытые в документах жидкоструйные насосы, которые обеспечивают втягивание потока в систему и тем самым увеличение скорости потока в данной системе. Смесители-эжекторы представляют собой короткие компактные варианты подобных струйных насосов, которые относительно нечувствительны к параметрам набегающего потока и широко используются в высокоскоростных реактивных двигательных установках со скоростями потоков, приблизительно равными или превышающими скорость звука. См., например, патент США 5,761,900 на имя Dr. Walter M. Presz, Jr., в котором также используется смеситель, расположенный дальше по потоку, для увеличения тяги при одновременном уменьшении шума от выхлопа. Dr. Presz является соавтором изобретения в данной заявке.

До сих пор не было успешного применения технических решений, связанных с газовыми турбинами, для осевых ветротурбин. Существует множество причин, обусловивших данный недостаток. В существующих ветротурбинах используются небандажированные турбинные лопатки для отбора энергии ветра. В результате значительная часть потока, приближающегося к лопаткам ветротурбины, проходит вокруг лопаток, а не через них. Кроме того, скорость воздушного потока значительно уменьшается по мере его приближения к существующим ветротурбинам. Оба данных эффекта приводят к низким скоростям потока, проходящего через турбину. Данные низкие скорости обуславливают минимизацию потенциальных преимуществ технических решений, связанных с газовыми турбинами, таких как концепции статора/ротора. Предшествующие подходы, связанные с бандажированными ветротурбинами, характеризуются сосредоточением усилий на выходных диффузорах для увеличения скоростей турбинных лопаток. Для обеспечения хороших эксплуатационных характеристик диффузоров требуется большая длина, и они имеют тенденцию быть очень чувствительными к колебаниям набегающего потока. Подобные длинные, чувствительные к характеристикам потока диффузоры нецелесообразны в ветроэнергетических турбинных установках. Короткие диффузоры вызывают срыв потока и совершенно не работают в реальных применениях. Кроме того, существует возможность того, что требуемая диффузия ниже по потоку будет невозможной в случае желательного съема энергии в турбине при повышенных скоростях. Данные эффекты предопределили тщетность всех предыдущих попыток создать более эффективные ветротурбины, используя технические решения, связанные с газовыми турбинами.

Соответственно, главная задача настоящего изобретения заключается в создании способа, в котором используются принципы работы современных гидроаэродинамических насосов со смесителями-эжекторами в ветротурбине для постоянного обеспечения стабильных уровней отбора энергии, существенно превышающих предел Бетца.

Другая основная задача заключается в создании усовершенствованного способа, который обеспечивает втягивание большего воздушного потока через ротор и последующее быстрое смешивание потока, выходящего из турбины и имеющего малую энергию, с байпасным воздушным потоком, имеющим большую энергию, перед выходом из системы.

Еще одна задача заключается в создании способа, в котором увеличивается средняя энергия воздуха, выходящего из кожуха эжектора для увеличения уровня мощности, генерируемого ветротурбиной.

Раскрытие изобретения

Для решения вышеуказанных задач предложен способ увеличения уровня мощности, вырабатываемой турбиной для текучей среды, включающий обеспечение турбины для текучей среды, содержащей бандаж турбины с аэродинамическим контуром, имеющий впускное отверстие, выпускное отверстие и кольцо из смесительных выступов, расположенных вдоль задней кромки, ступень турбины, установленную в бандаже турбины, и кожух эжектора, расположенный дальше по потоку бандажа турбины и имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, прием и направление первичной воздушной струи во впускное отверстие бандажа турбины, приведение ступени турбины во вращение первичной воздушной струёй, передающей энергию ступени турбины, и смешивание первичной воздушной струи с меньшей энергией с вторичной воздушной струёй с большей энергией, которая обошла бандаж турбины.

Кожух эжектора предпочтительно дополнительно содержит кольцо из смесительных выступов, расположенных вокруг задней кромки кожуха эжектора.

Ветротурбина предпочтительно установлена на вертикальном опорном валу посредством поворотного соединения, расположенного перед местоположением центра давления на ветротурбине, для обеспечения самоцентрирования.

Ветротурбина предпочтительно включает в себя поворотный блокировочный элемент для уменьшения или прекращения потока через ветротурбину.

Турбина для текучей среды предпочтительно дополнительно содержит самодвижущийся крыловидный выступ на наружной поверхности кожуха эжектора для стабилизации направления выравнивания кожуха эжектора.

Ступень турбины предпочтительно содержит кольцо из лопаток статора и кольцо из лопаток ротора, при этом лопатки статора выполнены с возможностью механического поворота для лучшего выравнивания выходящего потока статора с лопатками ротора для приспосабливания к изменениям скорости набегающего потока текучей среды.

Кольцо из лопаток ротора предпочтительно соединено с устройством отбора мощности в виде колесообразной конструкции.

Впускное отверстие кожуха эжектора предпочтительно имеет большую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения выпускного отверстия бандажа турбины.

Бандаж турбины предпочтительно содержит материал, который уменьшает шум, образуемый в бандаже турбины.

Впускное отверстие кожуха эжектора предпочтительно имеет некруглое поперечное сечение.

Ступень турбины содержит статорное кольцо и ротор.

Бандаж турбины предпочтительно имеет от 6 до 14 смесительных выступов.

Каждый смесительный выступ предпочтительно имеет угол наклона внутренней задней кромки от 5 до 25 градусов.

Теоретический анализ предпочтительного способа, выполненный на основании основных принципов, показывает, что ветротурбина со смесителями и эжекторами может вырабатывать мощность, в три или более раз превышающую мощность ее аналогов, не имеющих бандажа, для той же площади лобового сечения, и обеспечить повышение эффективности полей ветротурбин в два или более раз.

Исходя из выполненного ими теоретического анализа авторы полагают, что предпочтительный способ обеспечит выработку мощности, превышающей в три раза существующую мощность обычной ветротурбины аналогичного размера.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными при прочтении нижеприведенного описания в сочетании с сопровождающими чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А, 1В, 1C и ID иллюстрируют примеры турбин согласно уровню техники;

Фиг.2 представляет собой выполненный с пространственным разнесением элементов вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, предложенного авторами и имеющего конструкцию в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3 представляет собой вид в перспективе спереди предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами, прикрепленной к башенной опоре;

Фиг.4 представляет собой вид в перспективе спереди предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами с частями, выполненными с вырезом для того, чтобы показать внутреннюю конструкцию, такую как устройство отбора мощности в виде колесообразной конструкции, прикрепленной к рабочему колесу;

Фиг.5 представляет собой вид в перспективе спереди только статора, рабочего колеса, устройства отбора мощности и опорного вала, показанного на фиг.4;

Фиг.6 представляет собой альтернативный вариант осуществления предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами, выполненной с насосом со смесителем/эжектором, имеющим выступы смесителя в концевых областях (то есть в концевой части) кожуха эжектора;

Фиг.7 представляет собой боковое сечение ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.6;

Фиг.8 представляет собой увеличенный вид поворотного соединения (обведенного кружком на фиг.7), предназначенного для крепления ветротурбины со смесителями и эжекторами к башенной опоре с возможностью поворота, и вариант механической поворотной лопатки статора;

Фиг.9 представляет собой вид в перспективе спереди ветротурбины со смесителями и эжекторами с ротором пропеллерного вида;

Фиг.10 представляет собой вид в перспективе сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.9;

Фиг.11 представляет собой вид сверху сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.9;

Фиг.12 представляет собой сечение, выполненное вдоль линии 12-12 на фиг.11;

Фиг.13 представляет собой вид сверху спереди ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.9;

Фиг.14 представляет собой боковое сечение, выполненное вдоль линии 14-14 на фиг.13, показывающее два поворотных блокировочных элемента для управления потоком;

Фиг.15 представляет собой увеличенный вид обведенного кружком блокировочного элемента, показанного на фиг.14;

Фиг.16 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, выполненной с двумя возможными поворотными крыловидными выступами для ориентации по ветру;

Фиг.17 представляет собой боковое сечение ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.16;

Фиг.18 представляет собой вид сверху спереди альтернативного варианта осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, включающего в себя двухступенчатый эжектор со смесительными устройствами (в данном случае с кольцом из прорезей) в концевых областях бандажа турбины (в данном случае в области смесительных выступов) и кожух эжектора;

Фиг.19 представляет собой боковое сечение ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.18;

Фиг.20 представляет собой вид сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.18;

Фиг.21 представляет собой вид в перспективе спереди ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.18;

Фиг.22 представляет собой вид в перспективе спереди альтернативного варианта осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, включающего в себя двухступенчатый эжектор со смесительными выступами в концевых областях бандажа турбины и кожуха эжектора;

Фиг.23 представляет собой вид в перспективе сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.22;

Фиг.24 показывает возможную акустическую (звукопоглощающую) обшивку внутри бандажа турбины, показанной на фиг.22;

Фиг.25 показывает ветротурбину со смесителями и эжекторами, выполненную с некруглым бандажным элементом; и

Фиг.26 показывает альтернативный вариант осуществления предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами с выступами смесителя в концевой области (то есть в концевой части) бандажа турбины.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

При детальном рассмотрении чертежей видно, что фиг.2-25 показывают альтернативные варианты осуществления предложенного заявителями устройства, а именно «Ветротурбины со смесителями и эжекторами» («MEWT»).

В предпочтительном варианте осуществления «устройства» (см. фиг.2, 3, 4, 5) ветротурбина 100 со смесителями и эжекторами представляет собой осевую ветротурбину, содержащую:

(a) бандаж 102 турбины с аэродинамическим контуром;

(b) центральный элемент 103 с аэродинамическим контуром, расположенный внутри бандажа 102 турбины и прикрепленный к нему;

(c) ступень 104 турбины, окружающую центральный элемент 103, содержащую статорное кольцо 106 из лопаток (например, 108а) статора и рабочее колесо или ротор 110, имеющий лопатки (например, 112а) рабочего колеса или ротора, расположенные дальше по потоку и «на одной линии» с лопатками статора (то есть передние кромки лопаток рабочего колеса по существу выровнены с задними кромками лопаток статора), в которой:

(i) лопатки (например, 108а) статора установлены на центральном элементе 103; и

(ii) лопатки (например, 112а) рабочего колеса прикреплены и удерживаются вместе внутренними и наружными кольцами или хомутами, закрепленными на центральном элементе 103;

(d) смеситель 118, имеющий кольцо из выступов (например, 120а) смесителя в концевой области (то есть в концевой части) бандажа 102 турбины, при этом выступы (например, 120а) смесителя проходят за лопатки (например, 112а) рабочего колеса; и

(e) эжектор 122, содержащий кожух 128, окружающий кольцо из выступов (например, 120а) смесителя на бандаже турбины, с профилем, аналогичным выступам эжектора, показанным в патенте США 5,761,900, при этом выступы (например, 120а) смесителя проходят дальше по потоку и во впускное отверстие 129 кожуха 128 эжектора.

Как показано на фиг.7, центральный элемент 103 ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами предпочтительно соединен с бандажом 102 турбины посредством статорного кольца 106 (или другого средства) для устранения повреждения, неудобств и распространения на большое расстояние низкочастотного звука, создаваемого обычными ветротурбинами, когда спутные струи лопаток турбины сталкиваются с башенной опорой. Аэродинамические профили бандажа 102 турбины и кожуха 128 эжектора предпочтительно аэродинамически изогнуты для увеличения потока, проходящего через ротор турбины.

Авторы рассчитали, что для обеспечения оптимального кпд в предпочтительном варианте 100 осуществления соотношение площадей эжекторного насоса 122, определяемое как отношение площади выходного сечения кожуха 128 эжектора к площади выходного сечения бандажа 102 турбины, должно составлять от 1,5 до 3,0. Число выступов (например, 120а) смесителя составляет от 6 до 14. Каждый выступ имеет углы наклона внутренних и наружных задних кромок, составляющие от 5 до 25 градусов. Основное местоположение выхода выступа находится у места входа или рядом с местом входа или впускным отверстием 129 кожуха 128 эжектора. Отношение высоты к ширине каналов между выступами составляет от 0,5 до 4,5. Проникновение в смеситель составляет от 50% до 80%. Углы наклона задних кромок относительно промежуточной части центрального элемента 103 составляют тридцать градусов или менее. Отношение длины к диаметру (L/D) всей ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами составляет от 0,5 до 1,25.

Теоретический анализ предпочтительной ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами, выполненный авторами на основании основных принципов, показывает: ветротурбина со смесителями и эжекторами может вырабатывать мощность, в три или более раз превышающую мощность ее аналогов, не имеющих бандажа, для той же площади лобового сечения, и ветротурбина со смесителями и эжекторами может обеспечить повышение эффективности полей ветротурбин в два или более раз. См. Техническую заметку заявителей для Американского института аэронавтики и астронавтики, указанную выше в разделе «Уровень техники», в отношении методологии и формул, используемых в теоретическом анализе, выполненном авторами.

Исходя из выполненного ими теоретического анализа авторы полагают, что разработанный ими предпочтительный вариант 100 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами будет вырабатывать мощность, по меньшей мере, в два - три раза превышающую существующую мощность обычной ветротурбины того же размера (показанной на фиг.1А). Предложенный авторами комбинированный смеситель и эжектор обеспечивает втягивание внутрь взаимодействующего с ними ротора турбины воздуха, объем которого в два или три раза превышает объем воздуха, втягиваемого в роторы обычных ветроэнергетических установок.

Обычные ветроэнергетические установки (известные также как ветротурбины) с роторами пропеллерного вида (см. фиг.1) преобразуют ветер во вращательную и впоследствии в электрическую энергию. Подобные роторы могут обеспечить «перемещение» теоретически максимум 59,3% мощности набегающей струи. Данный кпд, составляющий 59,3%, известен как предел «Бетца», как описано в разделе «Уровень техники» данной заявки.

Поскольку предложенные авторами предпочтительные способ и устройство обеспечивают увеличение объема воздуха, перемещаемого обычными ветротурбинами, при сравнимых площадях лобового сечения, по меньшей мере, в два или три раза, авторы полагают, что предложенные ими предпочтительные способ и устройство могут обеспечить устойчивое поддержание эксплуатационного кпд свыше предела Бетца в аналогичной степени. Авторы полагают, что разработанные ими другие варианты осуществления также обеспечат постоянное превышение предела Бетца, само собой разумеется, в зависимости от достаточных ветров.

Используя упрощенную терминологию, можно сказать, что предпочтительный вариант 100 осуществления «устройства», то есть ветротурбины со смесителями и эжекторами, включает: осевую турбину (например, лопатки статора и лопатки рабочего колеса), окруженную бандажом 102 турбины с аэродинамическим контуром (то есть бандажом с расширяющимся впускным отверстием), включающую в себя смесительные устройства в его концевой области (то есть в концевой части), и отдельный кожух (например, 128) эжектора, перекрывающий бандаж 102 турбины, но расположенный за ним, который сам может включать в себя устройства для улучшенного смешивания (например, выступы смесителя) в его концевой области. Предложенное авторами кольцо 118 из выступов (например, 120а) смесителя в комбинации с кожухом 128 эжектора можно рассматривать как насос со смесителем/эжектором. Данный насос со смесителем/эжектором образует средство для обеспечения постоянного превышения предела Бетца для эксплуатационного кпд ветротурбины.

Авторы также представили дополнительную информацию для предпочтительного варианта 100 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанного на фиг.2 и 3. Он включает ступень 104 турбины (то есть со статорным кольцом 106 и рабочим колесом 110), установленную на центральном элементе 103, окруженную бандажом 102 турбины с выступами (например, 120а) смесителя, имеющими задние кромки, незначительно выступающими во входную плоскость кожуха 128 эжектора. Ступень 104 турбины и кожух 128 эжектора конструктивно соединены с бандажом 102 турбины, который сам представляет собой основной несущий нагрузку элемент.

Длина бандажа 102 турбины равна наружному максимальному диаметру бандажа турбины или меньше него. Длина кожуха 128 эжектора равна наружному максимальному диаметру кожуха эжектора или меньше него. Наружная поверхность центрального элемента 103 имеет аэродинамический профиль для минимизации эффектов отрыва потока за ветротурбиной 100 со смесителями и эжекторами. Она может быть более длинной или более короткой, чем бандаж 102 турбины или кожух 128 эжектора, или длина ее может быть больше или меньше суммы длин бандажа 102 и кожуха 128.

Площадь входного сечения и выходного сечения бандажа турбины равна или больше площади сечения кольцевого пространства, занимаемого ступенью 104 турбины, но входное и выходное сечения необязательно должны иметь круглую форму, чтобы обеспечить возможность лучшего управления источником потока и воздействием его спутной струи. Зона сечения внутреннего проточного канала, образуемого кольцевым пространством между центральным элементом 103 и внутренней поверхностью бандажа 102 турбины, имеет аэродинамическую форму для того, чтобы обеспечить минимальную площадь в плоскости турбины и плавное изменение в остальных частях от их соответствующих входных плоскостей до их выходных плоскостей. Наружные поверхности бандажа турбины и кожуха эжектора имеют аэродинамическую форму для того, чтобы способствовать направлению потока во впускное отверстие бандажа турбины, устранению срыва потока с их поверхностей и подаче плавного потока во впускное отверстие 129 эжектора. Входная область эжектора 128, которая может быть некруглой по форме (см., например, фиг.25), больше площади выходной плоскости смесителя 118, и выходная область эжектора также может быть некруглой по форме.

К возможным элементам предпочтительного варианта 100 осуществления могут относиться: устройство 130 отбора мощности (см. фиг.4 и 5) в виде колесообразной конструкции, которое механически присоединено у наружного обода рабочего колеса 110 к генератору мощности (не показан); вертикальный опорный вал 132 с поворотным соединением, обозначенным позицией 134 (см. фиг.5), который предназначен для обеспечения поворотной опоры для ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами и который расположен перед местоположением центра давления на ветротурбине со смесителями и эжекторами для обеспечения самоцентрирования ветротурбины со смесителями и эжекторами; и самодвижущийся вертикальный стабилизатор или «крыловидный выступ» 136 (см. фиг.4), прикрепленный к верхней и нижней поверхностям кожуха 128 эжектора и предназначенный для стабилизации направлений выравнивания относительно разных струй воздуха.

Ветротурбина 100 со смесителями и эжекторами при использовании ее рядом с жилыми домами может иметь звукопоглощающий материал, прикрепленный к внутренней поверхности ее бандажа 102 и кожуха 128 (см. фиг.24) для поглощения и, следовательно, фактического устранения звуковых волн со сравнительно высокой частотой, создаваемых в результате взаимодействия спутных струй от статора 106 с рабочим колесом 110. Ветротурбина со смесителями и эжекторами также может содержать предохранительную ограждающую лопатки конструкцию (не показана).

На фиг.14, 15 показаны возможные дверцы 140а, 140b для блокировки потока. Они могут поворачиваться посредством рычажных соединений (не показаны) в направлении струи потока для уменьшения или прекращения потока через турбину 100, когда возможно повреждение генератора или других элементов, вызванное высокой скоростью потока.

На фиг.8 показан другой возможный вариант предложенной авторами предпочтительной ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами. Выходной угол установки лопаток статора механически изменяется на месте (то есть лопатки поворачиваются) для приспосабливания к изменениям скорости потока текучей среды так, чтобы обеспечить минимальный остаточный вихрь в потоке, выходящем из ротора.

Следует отметить, что в каждом из предложенных авторами альтернативных вариантов осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанных на фиг.9-23 и 26, используется ротор пропеллерного вида (например, 142 на фиг.9), а не ротор турбины с кольцом из лопаток рабочего колеса. Хотя данные варианты осуществления, возможно, не столь эффективны, они могут быть более приемлемыми для населения.

Предложенными авторами альтернативными вариантами осуществления «устройства» являются варианты 200, 300, 400, 500, не содержащие эжектора (см., например, фиг.26), содержащие одно- и двухступенчатые эжекторы со смесителями в концевых областях (то есть концевых частях) кожухов эжекторов, если они имеются. См., например, фиг.18, 20 и 22, на которых показаны смесители в концевых областях кожухов эжекторов. Третичные воздушные струи (окружающего воздуха), которые ранее не прошли ни в бандажи турбин, ни в эжекторы, входят в смесители эжекторов второй ступени для смешивания с вихрями, создаваемыми первичной и вторичной воздушными струями, выходящими из концевых областей, и для передачи энергии данным вихрям. Анализ показывает, что подобные варианты осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами обеспечат более быстрое устранение неизбежного отклонения скорости, имеющего место в спутной струе существующих ветротурбин, и, следовательно, уменьшение расстояния между объектами, необходимого в поле ветротурбин для избежания конструктивных повреждений и/или потери эффективности.

На фиг.6 показан «двухступенчатый» вариант 600 эжектора изображенного варианта 100 осуществления, имеющего смеситель в концевой области кожуха эжектора.

Альтернативные варианты 200, 300, 400, 500 осуществления «устройства», показанные на фиг.9-25, можно рассматривать в широком смысле как содержащие:

а. ветроэнергетическую установку, или ветротурбину, имеющую бандаж с расширяющимся впускным отверстием;

b. ротор пропеллерного вида, расположенный за впускным отверстием;

с. смеситель, имеющий кольцо из выступов смесителя, которые проходят рядом с ротором и за ротором; и

d. эжектор, окружающий задние кромки выступов смесителя и проходящий за выступы смесителя.

Авторы полагают, что даже без эжектора (см., например, фиг.26) смеситель по-прежнему обеспечит увеличение объема воздуха, поступающего внутрь и перемещаемого посредством предложенных авторами роторов, и, следовательно, увеличение кпд по сравнению с предшествующими ветротурбинами (независимо от того, являются ли они бандажированными или нет), имеющими сравнимые площади лобового сечения. Однако увеличение будет меньше, чем в случае варианта с эжектором.

Изобретение авторов может быть рассмотрено с точки зрения способов. В широком смысле предпочтительный способ включает:

а. вырабатывание уровня мощности, превышающего предел Бетца для ветротурбины (предпочтительно осевой ветротурбины), имеющей бандаж турбины с расширяющимся впускным отверстием и рабочее колесо, расположенное дальше по потоку и имеющее кольцо из лопаток рабочего колеса, посредством:

i. приема и направления первичной воздушной струи окружающего воздуха в бандаж турбины;

ii. приведения рабочего колеса внутри бандажа во вращение посредством первичной воздушной струи, в результате чего первичная воздушная струя передает энергию рабочему колесу; и

iii. вовлечения и смешивания вторичной воздушной струи окружающего воздуха только с первичной воздушной струёй, которая прошла через рабочее колесо, посредством смесителя и эжектора, расположенных последовательно за рабочим колесом.

Альтернативный способ включает:

а. вырабатывание уровня мощности, превышающего предел Бетца для ветроэнергетической установки, имеющей бандаж турбины с расширяющимся впускным отверстием и ротор пропеллерного вида, расположенный дальше по потоку, посредством:

i. приема и направления первичной воздушной струи окружающего воздуха в расширяющееся впускное отверстие и через бандаж турбины;

ii. приведения рабочего колеса внутри бандажа во вращение посредством первичной воздушной струи, в результате чего первичная воздушная струя передает энергию ротору и становится воздушной струёй с меньшей энергией; и

iii. вовлечения и смешивания вторичной струи окружающего воздуха с воздушной струёй с меньшей энергией посредством смесителя и эжектора, расположенных последовательно за ротором.

Смешивание вторичной воздушной струи с первичной воздушной струёй (имеющей меньшую энергию) внутри эжектора: обеспечивает создание ряда вихрей смешения благодаря значительной переменности сечения, по меньшей мере, бандажа турбины за рабочим колесом, и обеспечивает передачу энергии от вторичной воздушной струи первичной воздушной струе.

Разработанные авторами способы могут также включать:

а. направление первичной воздушной струи, после приведения рабочего колеса во вращение в бандаже турбины, в сторону от оси вращения рабочего колеса; и

b. направление вторичной воздушной струи, после входа ее в кожух эжектора, к оси вращения рабочего колеса.

Несмотря на то что предпочтительная ось вращения рабочего колеса проиллюстрирована как коаксиальная центральной продольной оси бандажа (кожуха), ось вращения рабочего колеса необязательно должна быть такой для достижения целей данного способа.

В отличие от смесителей и эжекторов газовых турбин, которые также обеспечивают смешивание с отработавшими газами из горячего ядра, разработанный (-е) авторами, предпочтительный (-е) способ (-ы) обеспечивает (-ют) вовлечение и смешивание вторичной струи окружающего воздуха (то есть ветра) только с воздухом с меньшей энергией (то есть с частично использованной первичной струёй окружающего воздуха), который прошел через бандаж турбины и ротор.

Авторы полагают, что предложенные ими предпочтительные варианты 100, 200, 300, 400 и 600 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами и разработанные авторами предпочтительные и альтернативные способы, описанные непосредственно выше, могут обеспечить постоянное поддержание - при достаточных ветрах - значений эксплуатационного кпд, превышающих предел Бетца, в течение дней, недель и лет без какого-либо существенного повреждения турбины.

Другими словами, авторы полагают, что предложенные ими предпочтительные варианты 100, 200, 300, 400 и 600 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами и разработанные авторами предпочтительные и альтернативные способы, описанные непосредственно выше, могут обеспечить использование в максимальное мере энергии первичной воздушной струи для выработки механической энергии при одновременном превышении предела Бетца для эксплуатационного кпд в течение неаномального периода.

Еще один рассматриваемый более широко альтернативный способ включает:

а. увеличение объема воздуха, проходящего через ветроэнергетическую установку такого типа, которая имеет ротор, посредством:

i. вовлечения и смешивания окружающего воздуха только с воздухом с меньшей энергией, который прошел через ротор, посредством смесителя, расположенного рядом с рабочим колесом и за ним.

Данный рассматриваемый более широко способ может дополнительно включать: увеличение объема окружающего воздуха, проходящего через ветроэнергетическую установку, при одновременной минимизации уровня шума, создаваемого потоком, выходящим из ветроэнергетической установки, посредством эжектора, расположенного за смесителем.

Специалистам в данной области техники следует понимать, что очевидные изменения могут быть выполнены без отхода от сущности или объема изобретения. Например, вместо выступов смесителя или выступов эжектора могут быть использованы пазы. Кроме того, не требуется никакого рычага блокировочного элемента для обеспечения соответствия пределу Бетца или превышения предела Бетца. Соответственно, в первую очередь должна быть сделана ссылка на приложенную формулу изобретения, а не на вышеприведенное описание.

Изобретение относится к ветротурбинам. Способ увеличения уровня мощности, вырабатываемой турбиной для текучей среды, включает обеспечение турбины для текучей среды, содержащей бандаж 102 турбины с аэродинамическим контуром, имеющий впускное отверстие, выпускное отверстие и кольцо 118 из смесительных выступов 120а, расположенных вдоль задней кромки, ступень 104 турбины, установленную в бандаже 102 турбины и кожух эжектора, расположенный дальше по потоку бандажа 102 турбины и имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, прием и направление первичной воздушной струи во впускное отверстие бандажа 102 турбины, приведение ступени 104 турбины во вращение первичной воздушной струёй, передающей энергию ступени 104 турбины, и смешивание первичной воздушной струи с меньшей энергией с вторичной воздушной струёй с большей энергией, которая обошла бандаж 102 турбины. Изобретение направлено на обеспечение быстрого смешивания потока, выходящего из турбины, имеющего малую энергию, с байпасным воздушным потоком, имеющим большую энергию, перед выходом системы. 12 з.п. ф-лы, 29 ил.

1. Способ увеличения уровня мощности, вырабатываемой турбиной для текучей среды, включающий обеспечение турбины для текучей среды, содержащей бандаж турбины с аэродинамическим контуром, имеющий впускное отверстие, выпускное отверстие и кольцо из смесительных выступов, расположенных вдоль задней кромки, ступень турбины, установленную в бандаже турбины и кожух эжектора, расположенный дальше по потоку бандажа турбины и имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие, прием и направление первичной воздушной струи во впускное отверстие бандажа турбины, приведение ступени турбины во вращение первичной воздушной струей, передающей энергию ступени турбины, и смешивание первичной воздушной струи с меньшей энергией с вторичной воздушной струей с большей энергией, которая обошла бандаж турбины.

2. Способ по п.1, в котором кожух эжектора дополнительно содержит кольцо из смесительных выступов, расположенных вокруг задней кромки кожуха эжектора.

3. Способ по п.1, в котором ветротурбина установлена на вертикальном опорном валу посредством поворотного соединения, расположенного перед местоположением центра давления на ветротурбине, для обеспечения самоцентрирования.

4. Способ по п.1, в котором ветротурбина включает в себя поворотный блокировочный элемент для уменьшения или прекращения потока через ветротурбину.

5. Способ по п.1, в котором турбина для текучей среды дополнительно содержит самодвижущийся крыловидный выступ на наружной поверхности кожуха эжектора для стабилизации направления выравнивания кожуха эжектора.

6. Способ по п.1, в котором ступень турбины содержит кольцо из лопаток статора и кольцо из лопаток ротора, при этом лопатки статора выполнены с возможностью механического поворота для лучшего выравнивания выходящего потока статора с лопатками ротора для приспособления к изменениям скорости набегающего потока текучей среды.

7. Способ по п.6, в котором кольцо из лопаток ротора соединено с устройством отбора мощности в виде колесообразной конструкции.

8. Способ по п.1, в котором впускное отверстие кожуха эжектора имеет большую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения выпускного отверстия бандажа турбины.

9. Способ по п.1, в котором бандаж турбины содержит материал, который уменьшает шум, образуемый в бандаже турбины.

10. Способ по п.1, в котором впускное отверстие кожуха эжектора имеет некруглое поперечное сечение.

11. Способ по п.1, в котором ступень турбины содержит статорное кольцо и ротор.

12. Способ по п.1, в котором бандаж турбины имеет от 6 до 14 смесительных выступов.

13. Способ по п.1, в котором каждый смесительный выступ имеет угол наклона внутренней задней кромки от 5 до 25°.