СИСТЕМА ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2014 года по МПК F01D9/00 F03D1/04 F03D11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к системе повышения производительности ветровой турбины, а также к способу для повышения или увеличения выходной мощности и/или КПД ветровой турбины, в частности к системе и способу, предназначенным для оптимизации обтекающего турбину ветрового потока, чем обеспечивается снижение турбулентности и/или увеличение давления и/или скорости ветрового потока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В современных условиях глобального потепления и повышенного внимания к проблемам окружающей среды все большее значение приобретает возобновляемая энергия, наиболее традиционными источниками которой являются наземные и морские ветровые турбины. Несмотря на то что ветровые турбины доказали свою экономическую целесообразность в качестве средства производства электричества или других видов энергии, их использование имеет определенные ограничения. Одну из основных проблем, связанных с использованием ветровых турбин, представляет явление, описываемое так называемым критерием Бетца, устанавливающим предельный КПД ветровой турбины. Данное явление возникает вследствие перепада давления на роторе турбины, при котором давление воздуха непосредственно за лопастями ниже атмосферного давления, а давление воздуха непосредственно перед лопастями выше атмосферного давления. Указанное повышенное давление перед турбиной отклоняет от турбины часть ветрового или набегающего воздушного потока, ограничивая тем самым величину работы, которую способна произвести турбина.

Вследствие непостоянства скоростей ветра КПД большинства коммерческих ветротурбин обычно ниже значения критерия Бетца, и это является еще одним недостатком использования ветротурбин. Невозможность обеспечить постоянство скорости ветра приводит к тому, что мощность, вырабатываемая ветротурбинами, также непостоянна, что, разумеется, создает проблемы при подаче электричества потребителям. В результате, как правило, возникает необходимость в тщательном подборе места для установки ветротурбин, при этом приходится выбирать места в областях с более высокими скоростями господствующих ветров, расположенные, как правило, на небольших возвышенностях. Помимо этого, желательно располагать лопасти турбины на некотором расстоянии от земли, поскольку из-за наличия сопротивления воздуха у поверхности земли и меньшей вязкости воздуха на высоте с высотой скорость ветра обычно увеличивается. При этом вне зависимости от высоты турбулентность в воздушном потоке над твердыми телами, например над лопастями турбины, приводит к росту сопротивления воздуха и теплообмена. Соответственно в таких устройствах, в данном случае в ветротурбинах, имеет место обратная зависимость между степенью турбулентности обтекающего лопасти воздушного потока, или «ветра», и эффективностью переноса энергии ветра на лопасти турбины.

В патентной заявке Германии DE4323132 раскрыта ветротурбина реактивного типа (JWT), в которой для ускорения набегающего ветрового потока и направления его под постоянным углом на лопасти ротора использовано динамическое давление (суммарное давление, давление Пито, лобовое давление, давление торможения) ветра, получаемое при помощи кольцевых (круговых) сопел, расположенных в круговой плоскости с наветренной стороны ротора, при прохождении самого набегающего воздушного потока через указанный набор сопел.

В патентной заявке Великобритании GB2297358 раскрыта турбинная система для выработки электричества из энергии скоростного напора втекающего в систему потока воздуха или воды. Воздух под действием скоростного напора нагнетается в ковшовый воздухозаборник 2 и оболочку 3. Затем воздух поступает в противолежащие секторные отверстия вентильного блока 9 и в неподвижный блок 7 направляющих лопаток, равномерно направляющий воздух в лопаточные каналы колеса 6 турбины, вращающегося совместно с вентильным блоком 9, поскольку они прикреплены к валу 8. Энергия вырабатывается сдвоенным генератором 5, способным заряжать аккумуляторы или приводить в движение двигатель.

В патентной заявке Великобритании GB 2230565 раскрыта осевая ветровая турбина, содержащая оболочку (a), статорные лопасти (c), роторные лопасти (d) и оболочку (e) электрогенератора. В результате омывания оболочки воздушным потоком участок (g) кольцеобразного диска создает низкое давления с наветренной стороны устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание относительно несложных в осуществлении и применении системы и способа, обеспечивающих увеличение производительности ветровой турбины и в предпочтительном варианте подходящих не только для оснащения новых ветровых турбин, но и для переоснащения существующих ветровых турбин.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается система повышения производительности ветровой турбины, содержащая средства впрыскивания воздуха в качестве первой текучей среды в набегающий на турбину поток второй текучей среды, причем указанные средства впрыскивания воздуха выполнены с возможностью впрыскивания воздуха с высокой скоростью в направлении лопастей турбины.

В предпочтительном варианте система повышения производительности содержит средства для подачи первой текучей среды к средствам впрыскивания.

В предпочтительном варианте подающие средства установлены с возможностью подачи первой текучей среды к средствам впрыскивания из положения, удаленного от набегающего на турбину потока второй текучей среды.

В предпочтительном варианте средства впрыскивания содержат впускное отверстие, с которым подающее средство сообщается с возможностью передачи текучей среды, а также выпускное отверстие, из которого первая текучая среда впрыскивается в набегающий поток второй текучей среды.

В предпочтительном варианте форма и размеры средств впрыскивания обеспечивают увеличение скорости протекающей через средства впрыскивания первой текучей среды.

В предпочтительном варианте средства впрыскивания выполнены с возможностью обеспечивать требуемое распределение скоростей по заданной области вращения лопастей турбины.

В предпочтительном варианте средства впрыскивания содержат по меньшей мере один набор сопел.

В предпочтительном варианте средства впрыскивания содержат первый набор сопел с возможностью расположения на первом расстоянии от турбины и второй набор сопел с возможностью расположения на втором расстоянии от турбины.

В предпочтительном варианте средства впрыскивания выполнены с возможностью впрыскивания воздуха в пределах заданной области вращения лопастей.

В предпочтительном варианте по меньшей мере несколько сопел выполнены с возможностью подсоса воздуха.

В предпочтительном варианте подающее средство содержит вентилятор и двигатель.

В предпочтительном варианте подающее средство содержит трубопровод, проходящий от вентилятора к средствам впрыскивания.

В предпочтительном варианте трубопровод содержит в себе опорную конструкцию средств впрыскивания.

В предпочтительном варианте система повышения производительности содержит соединительный элемент, позволяющий устанавливать средства впрыскивания на турбине.

В предпочтительном варианте соединительный элемент выполнен с возможностью обеспечивать поворот средств впрыскивания относительно турбины в зависимости от изменения положения набора лопастей турбины в соответствии с направлением господствующего ветра.

В предпочтительном варианте подающие средства выполнены с возможностью получать питание от турбины.

В предпочтительном варианте система повышения производительности содержит первый формирователь потока, форма и размеры которого обеспечивают направление набегающего потока второй текучей среды на турбину, причем средства впрыскивания установлены с возможностью впрыскивания первой текучей среды в набегающий поток второй текучей среды в пределах первого формирователя потока.

В предпочтительном варианте система повышения производительности содержит второй формирователь потока, взаимодействующий с первым формирователем потока для фокусировки набегающего потока второй текучей среды на выбранный участок области вращения лопастей турбины.

В предпочтительном варианте средства впрыскивания содержат набор сопел, размещенный вокруг первого и/или второго формирователя потока.

В предпочтительном варианте предусмотрена возможность изменения размеров первого и/или второго формирователя потока.

В предпочтительном варианте первый формирователь потока содержит раструб в форме усеченного конуса.

В предпочтительном варианте второй формирователь потока содержит конус, концентрически установленный в пределах раструба таким образом, чтобы задавать по существу кольцевой канал между раструбом и конусом.

В предпочтительном варианте система повышения производительности содержит средства, обеспечивающие возврат по меньшей мере части второй текучей среды, выходящей с подветренной стороны лопастей, назад на наветренную сторону лопастей.

В предпочтительном варианте подающие средства используют механические средства подачи первой текучей среды к средствам впрыскивания.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ повышения производительности ветровой турбины, в котором воздух в качестве первой текучей среды впрыскивают с высокой скоростью в набегающий на ветровую турбину поток второй текучей среды в направлении лопастей ветровой турбины. В предпочтительном варианте способ содержит этап, на котором по меньшей мере одну струю первой текучей среды выпускают в набегающий поток второй текучей среды.

В предпочтительном варианте способ содержит этап, на котором первую текучую среду подают для впрыскивания из положения, удаленного от набегающего на ветровую турбину потока второй текучей среды.

В предпочтительном варианте способ содержит этап, на котором ускоряют первую текучую среду, втекающую при впрыскивании в набегающий поток второй текучей среды.

В предпочтительном варианте способ содержит этап, на котором первую текучую среду впрыскивают из первого положения в набегающий поток второй текучей среды.

В предпочтительном варианте способ содержит этап, на котором первую текучую среду впрыскивают в поток второй текучей среды из второго положения, удаленного от первого положения.

В предпочтительном варианте способ содержит этап, на котором от ветровой турбины отбирают мощность для обеспечения подачи первой текучей среды для впрыскивания.

Используемый здесь термин «впрыскивание» означает, что для изменения параметров существующего воздушного потока в воздушный поток дополнительно подают текучую среду, например воздух, в отличие от изменения параметров направления/скорости/давления воздушного потока простым прохождением всего воздушного потока через сопло или раструб.

Используемый здесь термин «набегающий воздушный поток» или «воздушный поток» означает поток воздуха, обычно, но не во всех случаях представляющий собой ветровой поток, который обтекает ветротурбину и от которого турбина отбирает энергию посредством того, что прохождение ветрового потока вызывает вращение лопастей турбины.

Используемый в описании термин «оптимизация» означает уменьшение турбулентности, и/или увеличение скорости, и/или регулировку или контроль давления потока текучей среды, в частности ветрового потока, набегающего на турбину или обтекающего турбину.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой схематичное аксонометрическое изображение фрагмента первого варианта предлагаемой системы повышения производительности турбины;

фиг.2 представляет собой вид сверху системы, проиллюстрированной на фиг.1;

фиг.3 представляет собой дополнительное аксонометрическое изображение, иллюстрирующее целиком первый вариант предлагаемой системы повышения производительности турбины;

фиг.4 иллюстрирует эффективную зону действия системы повышения производительности, наложенную на проекцию области вращения лопастей ветротурбины;

фиг.5 представляет собой аксонометрическое изображение при виде спереди второго варианта предлагаемой системы повышения производительности турбины, установленной перед трехлопастной ветротурбиной;

фиг.6 представляет собой вид сзади системы увеличения производительности турбины с фиг.5;

фиг.7 представляет собой вид сбоку системы увеличения производительности турбины с фиг.5 и 6;

фиг.8 представляет собой горизонтальный разрез системы увеличения производительности турбины с фиг.5 - 7 с дополнительным компонентом для дальнейшего улучшения производительности ветротурбины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 - 4 изображен первый вариант системы повышения производительности, в целом обозначенный позицией 10, предусматривающий как использование при переоснащении турбины, так и выполнение совместно с турбиной, такими, как, например, ветротурбина Т. При этом в отличие от непосредственной установки на турбине возможно также выполнить систему 10 повышения производительности в виде отдельного блока, расположенного с наветренной стороны существующей ветротурбины (не показано). Функционирование предлагаемой системы 10 повышения производительности реализуемо в соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом, при этом, как раскрывается в описании, указанная система повышает производительность или выходную мощность турбины Т.

Мощность, вырабатываемая ветром в традиционных ветротурбинах, в значительной степени зависит от скорости ветра и определяется следующим уравнением:

Мощность=½(р×А×V³),

где р - плотность воздуха, А - площадь поверхности лопастей, V - скорость ветра.

Ветротурбина способна извлекать часть этой мощности, не превышающую в соответствии с указанным выше законом Бетца 59%. Кроме того, из приведенного выше уравнения расчета мощности видно, что вырабатываемая мощность зависит от куба скорости ветра, следовательно, даже небольшое увеличение средней скорости ветра может привести к значительному увеличению мощности, вырабатываемой турбиной. Предлагаемая система 10 повышения производительности предусматривает возможность в зависимости от параметров господствующего ветра обеспечивать высокие скорости ветра при обтекании ветровым потоком турбины Т и таким образом добиваться значительного увеличения мощности, вырабатываемой турбиной Т, причем при относительно малых затратах энергии, необходимой для эксплуатации системы 10.

Система 10 содержит средства впрыскивания в виде первого набора 12 сопел и второго набора 14, состоящих из сопел 16, находящихся при использовании с наветренной стороны лопастей В турбины Т. Как будет более подробно описано ниже, сопла 16 выполнены с возможностью выпуска высокоскоростных струй первой текучей среды, например воздуха, в направлении лопастей В со скоростью и направлением, обеспечивающими оптимизацию воздушного потока за счет снижения турбулентности, регулирования давления, а также увеличения скорости второй текучей среды, например воздуха в виде ветрового потока, обдувающего лопасти В. Из дальнейшего описания, в частности из последующего описания функционирования системы 10 повышения производительности, станет понятно, что для выполнения упомянутых выше функций достаточно использовать один набор сопел 16. Кроме того, возможно по необходимости менять количество и конструкцию сопел 16, в частности, для соответствия диаметру лопастей В. При этом очевидно, что возможна замена сопел 16 на любые другие средства, способные впрыскивать воздух в ветровой поток с наветренной стороны турбины Т. При этом, хотя это менее предпочтительно, сопла 16 способны также впрыскивать отличные от воздуха текучую среду или газ.

Каждый из наборов 12, 14 имеет опорную конструкцию в виде соответствующего трубопровода 18, являющуюся частью подающего средства, выполненного таким образом, чтобы в процессе использования подавать воздух в сопла 16. При этом следует понимать, что возможно оснастить наборы 12, 14 сопел 16 любой другой подходящей опорной конструкцией, способной удерживать сопла 16 в правильном положении и ориентации относительно лопастей В турбины Т. При этом необязательно, чтобы такая опорная конструкция выполняла также функцию трубопровода, подающего воздух к соплам 16, поскольку для этой цели может быть предусмотрено наличие отдельного компонента.

На фиг.3 изображен вариант осуществления, в котором два ответвления трубопровода 18 соединены с общей штангой 20, при помощи соединительного элемента 22 установленной с возможностью вращения на опоре С или на другой опорной конструкции (не показана) турбины Т. Соединительный элемент 22 содержит опорную часть (не показана), на которой размещены вентилятор 24 и двигатель 26, приводящий в движение вентилятор 24, вместе образующие узел подающего средства, предназначенного для подачи воздуха к соплам 16. Очевидно, что возможна замена вентилятора 24 и двигателя 26 любыми другими средствами, позволяющими подавать воздух к соплам 16. Для подачи сжатого воздуха к соплам 16 вентилятор 24 подает сжатый воздух в штангу 20 и трубопровод 18. При этом сопла 16 содержат впускное отверстие, к которому присоединен трубопровод 18, и выпускное отверстие, которое направлено на турбину Т и из которого в набегающий воздушный поток выпускается струя воздуха. Поскольку сопла 16 закрыты для набегающего воздушного потока, через них набегающий воздушный поток не проходит.

В предпочтительном варианте вентилятор 24 расположен на удалении от набегающего воздушного потока, соответственно, воздух к соплам 16 он подает из этого удаленного положения. Таким образом, в отличие от известных из уровня техники конструкций, в которых оптимизация происходит за счет того, что сам набегающий воздушный поток проходит через сопло или раструб или аналогичный компонент, в заявляемом изобретении для оптимизации набегающего воздушного потока использован дополнительный источник воздуха в виде воздуха, впрыскиваемого в набегающий воздушный поток.

В проиллюстрированном предпочтительном варианте осуществления изобретения двигатель 26 питается энергией, предпочтительно в форме электричества, вырабатываемой турбиной Т. При этом стоит отметить, что для питания двигателя 26 возможно использовать внешний источник энергии. Соединительный элемент 22 обеспечивает возможность поворота наборов 12, 14 таким образом, чтобы они отслеживали перемещение лопастей В турбины Т при движении по ветру. Для отслеживания направления господствующего ветра и обеспечения соответствующего перемещения соединяющего элемента 22 на опоре С применимы любые подходящие средства. Соответственно, в случае жесткого крепления головы ветротурбины наличие соединяющего элемента 22 необязательно.

Кроме того, предлагается вариант системы 10 повышения производительности в виде обособленного блока, установленного отдельно от турбины Т, причем в этом случае возможно предусмотреть средства, позволяющие наборам 12, 14 отслеживать перемещение турбины Т при развороте на господствующий ветер. Например, для обеспечения совместного поворота системы 10 и турбины Т и, таким образом, наиболее эффективного использования воздействия господствующего ветра возможно применить флюгерное устройство с соответствующими органами управления.

Во время использования, когда турбина Т вырабатывает энергию, двигатель 26 включен для питания вентилятора 24, имеющего любую подходящую конструкцию. При этом вентилятор 24 нагнетает в штангу 20 и трубопровод 18 сжатый воздух, который таким образом подается к первому и второму набору 12, 14 сопел 16. В изображенном предпочтительном варианте использованы сопла 16, выполненные с возможностью подсоса струей окружающего воздуха, выпускающие скоростные воздушные струи в направлении области вращения или заданного участка области вращения лопастей В. Ветровой поток, изначально обладающий турбулентностью, обтекает первый набор 12, причем воздушные струи, выпускаемые соответствующими соплами 16, обеспечивают оптимизацию воздушного потока, уменьшая турбулентность ветрового потока, при этом увеличивая скорость ветрового потока и направляя его на второй набор 14. Для достижения наибольшей эффективности этого перенаправления предусмотрена возможность изменения ориентации отдельных сопел 16 в соответствии с параметрами господствующего ветра. При этом следует понимать, что допускается значительная вариативность количества и расположения сопел как в первом, так и во втором наборе 12, 14, причем даже может возникнуть необходимость в обеспечении такой вариативности для соответствия местным условиям и/или размерам/конструкции турбины Т. Таким образом, турбулентность ветрового потока по достижении им второго набора 14 значительно снижена, а скорость увеличена. Сопла 16 второго набора 14 также выпускают высокоскоростные воздушные струи, еще больше уменьшающие турбулентность ветрового потока, но предназначенные при этом в основном для увеличения скорости ветра, что позволяет добиться желаемой или заданной зоны воздействия на плоскости вращения лопастей В и, таким образом, максимальных значений электрической или другой мощности, получаемой от турбины Т. На фиг.4 изображена плоскость вращения лопастей В с наложенной на нее зоной воздействия сопел 16. При этом для обеспечения лучшей оптимизации ветрового потока, обтекающего сопла 16 второго набора 14, возможно каждое из указанных сопел 16 выполнить индивидуально регулируемым по направлению, давлению и скорости.

Как упомянуто выше, турбулентность, скорость и направление ветрового потока, обтекающего лопасти 3, должны обеспечивать требуемую зону воздействия в области вращения лопастей турбины Т согласно фиг.4. Соответственно, в предпочтительном варианте при установке на турбину Т систему 10 повышения производительности калибруют, чтобы таким образом обеспечить наиболее приближенное к требуемому распределение скоростей по заданной области вращения лопастей В.

Для достижения максимального эффекта от использования первого и второго набора 12, 14 необходимо расположить их с наветренной стороны на относительно небольшом расстоянии от лопастей В. Изображенный предпочтительный вариант предусматривает расположение первого набора 12 на первом расстоянии от лопастей В, а второго набора 14 - на втором расстоянии от лопастей В, причем очевидно, что для достижения максимальной производительности системы 10 предусмотрена возможность при необходимости изменять это расстояние.

Фиг.5-7 прилагаемых чертежей иллюстрируют второй вариант предлагаемой системы повышения производительности турбины, в целом обозначенный позицией 110, также предусматривающий как использование при переоснащении ветротурбины Т, так и выполнение совместно с ветротурбиной Т. В указанном втором варианте однотипным элементам присвоены одинаковые номера позиций, причем указанные элементы выполняют, если не указано обратное, одинаковые функции.

Система 110 содержит средства впрыскивания в виде кольцевого набора 112 сопел 116, расположенных при использовании с наветренной стороны лопастей В' турбины Т. Как более подробно описано ниже, сопла 116 выполнены с возможностью выпускать высокоскоростные воздушные струи в направлении лопастей В' со скоростью и направлением, обеспечивающими оптимизацию воздушного потока за счет уменьшения турбулентности, регулирования давления и увеличения скорости господствующего ветра, обдувающего лопасти В'. При этом очевидно, что предусмотрена возможность при необходимости менять количество и конструкцию сопел 116, в частности, для соответствия диаметру лопастей В'. При этом даже возможна замена сопел 116 на любые другие средства, способные впрыскивать воздух в ветровой поток с наветренной стороны турбины Т. При этом, хотя это менее предпочтительно, сопла 116 способны также впрыскивать отличные от воздуха текучую среду или газ.

Основное отличие указанного второго варианта от раскрытого выше первого варианта состоит в наличии первого формирователя потока, выполненного в виде усеченного конусообразного раструба 30, расположенного при использовании с наветренной стороны вблизи лопастей В' турбины Т. Кроме того, как изображено на чертежах, система 110 содержит второй формирователь потока в форме конуса 32, концентрически установленный внутри раструба 30, причем также почти вплотную к лопастям В' турбины Т. Раструб 30 и конус 30 расположены таким образом, что по отношению к направлению, в котором дует ветер, они находятся с наветренной стороны лопастей В'. Раструб 30 и конус 32 образуют между собой кольцевой канал 34, который в свою очередь образует выпускное отверстие для воздуха, втекающего в раструб 30, и который при использовании выставлен соответствующим образом непосредственно перед областью вращения лопастей В'. Для выбора большей или меньшей зоны воздействия на область вращения лопастей В' предусмотрена возможность изменения размеров и относительного положения канала 34. При этом хорошо известно, что за выработку основного количества получаемой энергии отвечает определенный участок длины каждой лопасти ветротурбины. Следовательно, в предпочтительном варианте кольцевой участок 34 имеет расположение и размеры, при которых он перекрывает указанный участок области вращения лопастей В'.

Таким образом, раструб 30 позволяет захватывать и направлять на лопасти В' больший объем набегающего воздушного потока, чем обеспечивается извлечение большей мощности из турбины Т'. При этом при помощи раструба 30 возможно также фокусировать набегающий воздушный поток на наиболее эффективную, с точки зрения генерирования мощности, зону лопастей В'. Кроме того, раструб 30 выполняет функцию опорной конструкции для кольцевого набора 112 сопел 116, которые в изображенном варианте установлены на внутренней поверхности раструба 30 и которые в предпочтительном варианте направляют струи воздуха под высоким давлением в направлении, по существу параллельном стенке раструба 30, через кольцевой канал 34 на лопасти В'. Сопла 116 выполняют ту же функцию, что и сопла 16, описанные в первом варианте изобретения, а именно оптимизируют воздушный поток за счет уменьшения турбулентности и/или увеличения скорости воздушного потока. Кроме того, в предпочтительном варианте сопла 116 ориентированы таким образом и имеются в таком количестве, что в кольцевом канале 34 происходит небольшое взаимное наложение воздушных струй из смежных сопел 116, чем обеспечивается достаточная оптимизация по существу всего воздуха, протекающего через канал 34.

Питание сопел 116 осуществляется подающим средством, содержащим кольцевую секцию трубопровода 118, который во втором варианте изобретения установлен концентрически и снаружи по отношению к раструбу 30 и питание которого осуществляется подходящим вентилятором 124, приводимым в движение двигателем 126 или любым другим подходящим средством. Трубопровод 118 закрыт на удаленном от вентилятора 124 конце, при этом по его длине в нескольких местах выполнены отводы посредством угловой соединительной детали 36, которая в свою очередь проходит через соответствующим образом расположенное отверстие (не показано) в раструб 30, причем на конце каждой угловой детали 36 установлено сопло 116. Таким образом осуществлена возможность подачи сжатого воздуха от вентилятора 124 с двигателем 126 через трубопровод 118 в круговой набор сопел 116. Очевидно, что вышеуказанные функции будут выполняться и при изменении изображенной конфигурации, в частности при изменении расположения трубопровода 118.

Для того чтобы регулировать воздействие раструба 30 и конуса 32 на воздушный поток, направляемый на лопасти В', предусмотрена возможность ручного или автоматического изменения размеров и/или ориентации раструба 30 и конуса 32. Например, имеется возможность изменения конусности раструба 30, изменения размеров открытой стороны раструба 30, непосредственно примыкающей к турбине Т, а также изменения размеров и/или ориентации конуса 32, причем даже его положения в пределах раструба 30. Это позволяет изменять размеры кольцевого канала 34, например, для лучшего соответствия текущим параметрам ветра или для создания лучшей зоны воздействия на оптимальном участке области вращения лопастей В'. На изображенном варианте изобретения раструб 30 и конус 32 установлены на раме 38, однако при необходимости возможно выполнить монтаж раструба 30 и/или конуса 32 другим образом. Например, установить конус 32 на ступице турбины Т, обеспечив тем самым их совместное вращение. Возможна установка раструба 30 на опорной конструкции (не показана) ветротурбины или любым другим подходящим образом.

Кроме того, следует отметить возможность размещения дополнительного или второго соплового набора (не показан) вокруг раструба 30, например, с наветренной стороны набора 112 или диаметрально внутри набора 112. Возможно также установить набор сопел (не показан) на наружной поверхности конуса 32.

На фиг.8 изображена система 110, содержащая дополнительный и необязательный признак в виде рециркуляционного дефлектора 40, расположенного так, что в него вписаны внешние концы лопастей В', и имеющего форму кольца, по существу охватывающего концы лопастей В'. Дефлектор 40 обеспечивает захват части ветрового потока, прошедшего по раструбу 30 и через лопасти В', с последующим ее возвратом на переднюю сторону лопастей В' для дополнительного прохождения через лопасти В'. Дефлектор 40 начинается с задней или подветренной стороны лопастей В', огибает наружный край области вращения лопастей и завершается вплотную с внешней поверхностью раструба 30 непосредственно перед лопастями В', то есть с их наветренной стороны. Таким образом, дефлектор 40 возвращает воздух не обратно в раструб 30, а на крайний участок лопастей, лежащий вне зоны перекрытия раструбом 30. Возможен как монтаж дефлектора 40 на раструбе, так и установка его в рабочее положение любым другим подходящим образом.

Использование заявляемой в изобретении системы 10; 110 позволяет увеличить выработку энергии турбиной Т; Т'. При этом, несмотря на то что в проиллюстрированных вариантах изобретения двигатель 26; 126 отбирает энергию от турбины Т, Т', это с избытком компенсируется увеличением эффективности, полученным благодаря использованию системы 10; 110 повышения производительности.

Необходимо также отметить, что благодаря тому, что турбина Т; Т' вырабатывает больше энергии на квадратный метр области вращения, это делает возможным уменьшение как размеров лопастей В; В', так и высоты расположения лопастей В; В', что в свою очередь позволяет снизить начальную стоимость турбины Т, а также увеличить количество мест, пригодных для рамещения ветротурбин. Поскольку обычно ветротурбины необходимо устанавливать на значительных возвышениях, характеризующихся постоянным наличием высоких скоростей ветра, это серьезно сужает выбор подходящих для установки мест. Предлагаемая в изобретении система 10; 110 повышения производительности позволит задействовать для установки велотротурбин большое количество мест, которые иначе считались бы для этого непригодными.

Оба раскрытых выше варианта изобретения предусматривают возможность установки системы повышения производительности на турбине, например, в области вытяжки относительно большой вентиляционной системы (не показана), например такой, какие применяют в подземных автомобильных парковках или больших офисных зданиях, или аналогичных сооружениях. То есть вместо того, чтобы впустую терять энергию отработанного воздуха, при помощи системы 10; 110 эту энергию можно использовать для приведения в движение турбины и производства мощности.

Таким образом, в предлагаемой в настоящем изобретении системе 10; 110 повышения производительности реализовано простое и вместе с тем высокоэффективное средство и способ увеличения производительности ветротурбины. Система 10; 110 почти не содержит подвижных частей, что является преимуществом как с точки зрения надежности, так и минимизации издержек. Различные компоненты системы 10; 110 возможно изготавливать из любого подходящего материала, однако предпочтительно использовать легковесный материал, например, пластиковый, композитный, или другой материал.

Изобретение относится к системе и способу повышения производительности ветровой турбины. Система повышения производительности ветровой турбины содержит средства впрыскивания воздуха в качестве первой текучей среды в набегающий на турбину поток второй текучей среды. Указанные средства впрыскивания воздуха выполнены с возможностью впрыскивания воздуха с высокой скоростью в направлении лопастей турбины. Изобретение направлено на увеличение производительности ветровой турбины. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система повышения производительности ветровой турбины, содержащая средства впрыскивания воздуха в качестве первой текучей среды в набегающий на турбину поток второй текучей среды, причем указанные средства впрыскивания воздуха выполнены с возможностью впрыскивания воздуха с высокой скоростью в направлении лопастей турбины.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства впрыскивания выполнены с возможностью выпускать по меньшей мере одну струю первой текучей среды.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит подающие средства для подачи первой текучей среды к средствам впрыскивания.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что подающие средства установлены с возможностью подачи первой текучей среды к средствам впрыскивания из положения, удаленного от набегающего на турбину потока второй текучей среды.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что средства впрыскивания содержат впускное отверстие, с которым подающее средство сообщается с возможностью передачи текучей среды, а также выпускное отверстие, из которого первая текучая среда впрыскивается в набегающий поток второй текучей среды.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что форма и размеры средств впрыскивания обеспечивают увеличение скорости протекающей через средства впрыскивания первой текучей среды.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что средства впрыскивания выполнены с возможностью обеспечивать требуемое распределение скоростей по заданной области вращения лопастей турбины.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что средства впрыскивания содержат по меньшей мере один набор сопел.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что средства впрыскивания содержат первый набор сопел с возможностью расположения на первом расстоянии от турбины и второй набор сопел с возможностью расположения на втором расстоянии от турбины.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что средства впрыскивания выполнены с возможностью впрыскивания воздуха в пределах заданной области вращения лопастей.

11. Система по п.8, отличающаяся тем, что по меньшей мере несколько сопел выполнены с возможностью подсоса воздуха.

12. Система по п.3, отличающаяся тем, что подающее средство содержит вентилятор и двигатель.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что подающее средство содержит трубопровод, проходящий от вентилятора к средствам впрыскивания.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что трубопровод содержит в себе опорную конструкцию средств впрыскивания.

15. Система по п.1, содержащая соединительный элемент, позволяющий устанавливать средства впрыскивания на турбине.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что соединительный элемент выполнен с возможностью обеспечивать поворот средств впрыскивания относительно турбины в зависимости от изменения положения набора лопастей турбины в соответствии с направлением господствующего ветра.

17. Система по п.3, отличающаяся тем, что подающие средства выполнены с возможностью получать питание от турбины.

18. Система по п.1, отличающаяся тем, что турбина представляет собой ветровую турбину.

19. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит первый формирователь потока, форма и размеры которого обеспечивают направление набегающего потока второй текучей среды на турбину, причем средства впрыскивания установлены с возможностью впрыскивания первой текучей среды в набегающий поток второй текучей среды в пределах первого формирователя потока.

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что она содержит второй формирователь потока, взаимодействующий с первым формирователем потока для фокусировки набегающего потока второй текучей среды на выбранный участок области вращения лопастей турбины.

21. Система по п.20, отличающаяся тем, что средства впрыскивания содержат набор сопел, размещенный вокруг первого и/или второго формирователя потока.

22. Система по п.20, отличающаяся тем, что первый формирователь потока содержит раструб в форме усеченного конуса.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что второй формирователь потока содержит конус, концентрически установленный в пределах раструба таким образом, чтобы задавать по существу кольцевой канал между раструбом и конусом.

24. Система по п.19, отличающаяся тем, что она содержит средства, обеспечивающие возврат по меньшей мере части второй текучей среды, выходящей с подветренной стороны лопастей, назад на наветренную сторону лопастей.

25. Система по п.3, отличающаяся тем, что подающие средства содержат механические средства подачи первой текучей среды к средствам впрыскивания.

26. Способ повышения производительности ветровой турбины, в котором воздух в качестве первой текучей среды впрыскивают с высокой скоростью в набегающий на ветровую турбину поток второй текучей среды в направлении лопастей ветровой турбины.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором по меньшей мере одну струю первой текучей среды выпускают в набегающий поток второй текучей среды.

28. Способ по п.26, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором первую текучую среду подают для впрыскивания из положения, удаленного от набегающего на ветровую турбину потока второй текучей среды.

29. Способ по п.26, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором ускоряют первую текучую среду, втекающую при впрыскивании в набегающий поток второй текучей среды.

30. Способ по п.26, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором первую текучую среду впрыскивают из первого положения в набегающий поток второй текучей среды.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором первую текучую среду впрыскивают в поток второй текучей среды из второго положения, удаленного от первого положения.

32. Способ по п.26, отличающийся тем, что он содержит этап, на котором от ветровой турбины отбирают мощность для обеспечения подачи первой текучей среды для впрыскивания.