УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И ЛОПАСТЬ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯСЯ В НЕМ Российский патент 2015 года по МПК F03B17/06 F03B3/12 F03D1/06 

Настоящее изобретение относится к лопасти для генерирования энергии из потока текучей среды, которой может быть воздух или вода.

В последние годы экологические проблемы и возрастающая стоимость источников ископаемого топлива вызвали возобновленный интерес к альтернативным видам энергии, особенно в области ветровых турбин.

Самые последние решения касаются ветровых турбин, содержащих ротор на горизонтальной оси, продолжающейся перпендикулярно направлению ветра и установленной на мачте.

Данное техническое решение часто используют для больших установок.

Предлагались также решения с меньшим размером, особенно для установок около зданий, которые потребляют электрическую энергию. Документ FR А 28728 67 относится к данной категории и раскрывает устройство, которое генерирует энергию из ветра, состоящее из ветрового генератора с ротором, лопасти которого имеют форму полуконуса и почти параллельны своей оси вращения. Устройство для генерирования энергии данного типа, в принципе используемое с горизонтальной осью вращения, является достаточно компактным, чтобы быть совместимым с множеством участков для установки, прежде всего на крышах зданий.

Хотя эффективность ветровых генераторов обычно достаточно высокая, любое повышение их выходной мощности было бы очень желательным.

Изобретение стремится повысить выходную мощность устройства генерирования энергии данного типа.

С этой целью изобретение обеспечивает лопасть для генерирования энергии из текучей среды, содержащую направляющую поверхность, внутри которой должна перемещаться текучая среда, чтобы приводить в движение поворотную лопасть вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, которая вместе с осями $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ образует ортогональную систему координат $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ . Лопасть ограничена передней кромкой и задней кромкой и сужается между передней кромкой и задней кромкой. Она продолжается вдоль средней линии, проекция которой на плоскость $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ имеет первую кривизну, причем плоскость $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ образована с возможностью содержания средней линии около передней кромки.

Таким образом, изобретение обеспечивает очень специфичную форму лопасти, позволяющую ей отбирать значительную часть энергии текучей среды. Таким образом, изобретение помогает значительно повысить выходную мощность устройств генерирования энергии из потока текучей среды.

При желании изобретение может иметь, по меньшей мере, одну из следующих характеристик:

- первый изгиб выполнен таким образом, что в плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ средняя линия удаляется от оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения от передней кромки к задней кромке. В другом варианте осуществления первый изгиб выполнен таким образом, что в плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ средняя линия приближается к оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения от передней кромки к задней кромке,

- предпочтительно, лопасть содержит первую часть, которая продолжается от передней кромки до задней кромки и по существу параллельна оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения. Она содержит вторую часть, которая продолжается от первой части до задней кромки и которая имеет изгиб. Данный изгиб имеет тенденцию удаляться от или, в соответствии с альтернативным и особенно предпочтительным вариантом осуществления, приближаться к задней кромке оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ .

Направление данного изгиба по существу перпендикулярно плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ ,

- проекция средней линии на плоскость $${\overrightarrow{Z}}_o$$ , $${\overrightarrow{X}}_o$$ имеет второй изгиб,

- средняя линия находится в плоскости Р, расположенной под углом d относительно плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ ,

- угол d находится в пределах от 50° до 100° и, предпочтительно, от 60° до 90°,

- предпочтительно, угол d находится в пределах от 55° до 65°,

- плоскость Р по существу параллельна оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ ,

- в плоскости Р средняя линия имеет равномерный основной изгиб,

- упомянутый основной изгиб имеет радиус Rp кривизны, находящийся в пределах от L/2 до 10L и, предпочтительно, от 0,7L до L, где L длина средней линии,

- пересечение плоскостей Р и $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ у передней кромки образует точку А, принадлежащую средней линии,

- средняя линия содержит точку А у передней кромки, точку В, находящуюся в плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , и точку С на задней кромке, так что участки АВ и ВС средней линии, соответственно, ограниченные точками А и В и точками В и С, расположены по обе стороны от плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ ,

- изгиб средней линии образует полость, находящуюся в пределах от 1% до 20% и, предпочтительно, от 10% до 15%,

- касательная к средней линии в точке А образует угол а, равный приблизительно 13°, с плоскостью $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ ,

- длина участка АВ приблизительно равна одной третьей длины участка АС, направляющая поверхность закручивается вокруг средней линии,

- угол закручивания является постоянным вдоль, по меньшей мере, части лопасти, направляющая поверхность закручивается вокруг средней линии вдоль участка ВС и не закручивается вдоль участка АВ,

- угол закручивания участка ВС находится в пределах от 40° до 80° и, предпочтительно, составляет порядка 60°,

- угол закручивания участка ВС является постоянным,

- участок АВ по существу не имеет угла закручивания,

- направляющая поверхность содержит отверстие, которое продолжается по существу параллельно средней линии,

- в каждой точке pi средней линии сечение направляющей поверхности, находящееся в плоскости $${\overrightarrow{y}}_i$$ , $${\overrightarrow{x}}_i$$ перпендикулярной плоскости Р, является симметричным относительно плоскости $${\overrightarrow{z}}_i$$ , $${\overrightarrow{x}}_i$$ причем плоскости $${\overrightarrow{y}}_i$$ , $${\overrightarrow{z}}_i$$ и $${\overrightarrow{z}}_i$$ $${\overrightarrow{x}}_i$$ определяются ортогональной системой координат $${\overrightarrow{x}}_i$$ , $${\overrightarrow{y}}_i$$ , $${\overrightarrow{z}}_i$$ центр которой совпадает с данной точкой, ось $${\overrightarrow{x}}_i$$ , которой совпадает с касательной к средней линии (10) в точке pi и направлена к задней кромке (5), и оси $${\overrightarrow{y}}_i$$ , $${\overrightarrow{x}}_i$$ которой соответствуют упомянутому углу закручивания,

- сечение направляющей поверхности по существу имеет форму участка окружности,

- центр участка окружности находится на средней линии,

- при диаметре D_перед сечения направляющей поверхности, измеренном вдоль передней кромки, диаметр D_перед сечения направляющей поверхности, измеренный вдоль задней кромки, является таким, что: D_перед/3,5≤D_задн≤D_перед/2,5,

- длина L средней линии между передней кромкой и задней кромкой является такой, что D_перед·3,5≤L≤D_перед·4,5,

- в каждой точке pi средней линии, плоскость $${\overrightarrow{z}}_i$$ , $${\overrightarrow{x}}_i$$ по существу является равноудаленной от двух кромок, ограничивающих отверстие, находящееся в плоскости $${\overrightarrow{y}}_i$$ , $${\overrightarrow{z}}_i$$ .

Кроме того, изобретение обеспечивает ротор для устройства генерирования энергии из текучей среды, содержащий, по меньшей мере, одну лопасть, соответствующую любой из приведенных выше характеристик.

Изобретение также обеспечивает устройство для генерирования энергии из текучей среды, содержащее генератор, соединенный с таким ротором.

Ротор установлен на вертикальной мачте, выполненной таким образом, что она сама себя ориентирует навстречу текучей среде. Предпочтительно, автоматическая ориентация не требует помощи наружной или прикрепленной системы помимо сопротивления, вызываемого потоком текучей среды.

Другие характеристики, цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после изучения подробного описания, приведенного ниже вместе с прилагаемыми чертежами, которые представлены в качестве неограничивающих примеров. На данных чертежах:

фиг. 1 представляет собой двухмерный вид лопасти вдоль плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 2 - двухмерный вид лопасти, показанной на фиг. 1, в плоскости $${\overrightarrow{Z}}_o$$ , $${\overrightarrow{X}}_o$$ .

Фиг. 3 - трехмерный вид лопасти, показанной на фиг. 1, в ортогональной системе координат - $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ .

Фиг. 4 - трехмерный вид формирования лопасти в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 5 - продольный вид примера ротора, содержащего три лопасти в соответствии с примером, показанным на фиг. 4.

Фиг. 6 - вид вдоль оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ ротора, показанного на фиг. 5.

Фиг. 7 и 8 изображают два вида варианта осуществления ротора, содержащего лопасти в соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения.

Ссылаясь на фиг. 1-8, ниже будут представлены примеры лопасти в соответствии с изобретением. На чертежах показана лопасть 2, выполненная с возможностью вращения под действием потока текучей среды вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения. Ось $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения образована осью 1, с которой лопасть 2 должна соединяться с возможностью вращения в тех случаях, когда она установлена в устройстве генерирования энергии. Лопасти 2, показанные на фиг. 1-8, выполнены с возможностью вращения вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, в направлении по часовой стрелке, которая определяется ортогональной системой координат $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ . Ориентация и направление потока текучей среды показаны стрелками на фиг. 1-3.

Лопасти 2 содержат направляющую поверхность 3, ограниченную впереди передней кромкой 4 и позади задней кромкой 5. Направляющая поверхность 3 образует внутренний объем, вдоль которого должна перемещаться текучая среда, чтобы приводить в движение лопасть 2 с возможностью вращения во время работы.

Направляющая поверхность 3 продолжается вдоль средней линии 10. Средняя линия 10 продолжается преимущественно в направлении, которое по существу параллельно оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, и, следовательно, в направлении, по существу параллельном направлению ветра. Таким образом, лопасть 2, являющаяся предметом настоящей заявки, отличается от многих лопастей, предназначенных для оборудования роторов, где они продолжаются перпендикулярно оси ротора.

В любой точке pi средней линии 10 можно образовать ортогональную систему координат $${\overrightarrow{x}}_i,{\overrightarrow{y}}_i,{\overrightarrow{z}}_i$$ , центр которой совпадает с точкой pi, а ось $${\overrightarrow{x}}_i$$ совпадает с касательной к средней линии 10 в точке pi и направлена к задней кромке 5. Таким образом, в каждой точке pi плоскость $${\overrightarrow{y}}_i$$ , $${\overrightarrow{z}}_i$$ образует сечение направляющей поверхности 3.

Размеры сечений направляющей поверхности 3 уменьшаются от передней кромки 4 к задней кромке 5. Данное уменьшение может быть непрерывным или прерывистым. В примерах, показанных на чертежах, размер сечений направляющей поверхности уменьшается непрерывно и линейно от передней кромки 4 к задней кромке 5. Уменьшение в сечении способствует ускорению текучей среды, когда она перемещается внутри направляющей поверхности.

Средняя линия 10 расположена таким образом, что ее проекция на плоскость $${\overrightarrow{X}}_o,{\overrightarrow{Y}}_o$$ имеет первую кривизну.

У задней кромки 4 средняя линия 10 разрезает плоскость $${\overrightarrow{X}}_o,{\overrightarrow{Y}}_o$$ вдоль оси $${\overrightarrow{Z}}_o$$ .

Данная кривизна обеспечивает улучшенное поглощение энергии текучей среды, когда она перемещается вдоль направляющей поверхности 3, прежде всего посредством отслеживания текучей среды, которая имеет тенденцию устремляться к тем участкам, которые имеют меньшее сопротивление.

Средняя линия 10 расположена соответствующим образом, так что ее проекция на плоскость $${\overrightarrow{Z}}_o,{\overrightarrow{X}}_o$$ имеет вторую кривизну.

Таким образом, кинетическая энергия текучей среды может отбираться более эффективно, тем самым обеспечивая значительное увеличение выходной мощности по сравнению с известными лопастями, которые продолжаются преимущественно вдоль направления, параллельного оси вращения.

Направляющая поверхность содержит отверстие 6, по существу параллельное средней линии.

В показанном примере отверстие 6 продолжается от передней кромки 4 до задней кромки 5. Данное отверстие 6 образует две кромки, которые также продолжаются по существу параллельно средней линии 10. Таким образом, каждое сечение направляющей поверхности, находящееся в плоскости $${\overrightarrow{y}}_i,{\overrightarrow{z}}_i$$ , образует профиль, имеющий первую и вторую крайнюю точку, связанную, соответственно, с одной из упомянутых кромок.

Направляющая поверхность 3 выполнена таким образом, что средняя линия 10 по существу совпадает с линией, образованной совокупностью центров сегментов, соединяющих упомянутую первую крайнюю точку с упомянутой второй крайней точкой.

В показанных вариантах осуществления в каждом из упомянутых сечений средней линии 10 упомянутый профиль является по существу симметричным относительно оси симметрии, параллельной оси $${\overrightarrow{z}}_i$$ и проходящей через центр сегмента, соединяющего упомянутую первую и упомянутую вторую крайние точки.

Предпочтительно, профиль образует участок окружности. Более конкретно, в показанных примерах профиль имеет форму полукруга. Таким образом, направляющая поверхность 3 имеет форму полуконуса с изогнутой осью.

Предпочтительно, направляющая поверхность 3 закручивается вокруг средней линии 10. Данное закручивание очевидно на лопастях в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1-6. Направляющая поверхность 3 выполнена таким образом, что задняя кромка 5 имеет угловое смещение относительно передней кромки 4 в направлении по часовой стрелке, когда лопасть 2 выполнена с возможностью вращения по часовой стрелке. Данное закручивание выполнено таким образом, что направляющая поверхность 3 отслеживает потоки текучей среды, чтобы увеличить передачу энергии между текучей средой и направляющей поверхностью 3.

Данное закручивание может быть непрерывным или прерывистым. Оно может также продолжаться по всей средней линии 10 или только на части последней. В показанном примере первая часть лопасти 2, продолжающаяся от передней кромки 4 до сечения, содержащего точку В, не имеет угла закручивания относительно сегмента, соединяющего две крайние точки переднего сечения 4. Предпочтительно, данный последний сегмент почти совпадает с осью $${\overrightarrow{Y}}_o$$ . Вторая часть лопасти 2, продолжающаяся от первой части до задней кромки 5, закручена. Предпочтительно, первая часть лопасти 2 продолжается на протяжении приблизительно одной третьей длины лопасти.

Вогнутая форма лопасти образует полость, которая может находиться в пределах от 0% до 20% вдоль длины лопасти и, предпочтительно, от 10% до 15%.

Данная форма помогает создать углубление на задней стороне лопасти, которое вызывает первую аэродинамическую силу, которая обеспечивает крутящий момент на роторе.

Непрерывное уменьшение сечения лопасти ускоряет текучую среду, при этом кривизна средней линии стремится придать больший угол атаки текучей среде, которая направляется к наружной поверхности, с возможностью захвата текучей среды, которая направляется в данном направлении и устремляется к тем участкам, которые имеют меньшее сопротивление.

Данное конкретное расположение направляющей поверхности 3 принуждает перемещающуюся текучую среду к оптимизированной отдаче ее энергии. Следовательно, это обеспечивает очень существенное повышение выходной мощности лопастей, продолжающихся преимущественно параллельно оси вращения.

Короче говоря, конфигурация лопасти предусматривает два типа аэродинамической силы:

- Первая является результатом сжатия внутренней стороны и углубления наружной стороны, при этом силы, которые вызываются кривизной лопасти, приводят к образованию вогнутости (которая может быть приспособлена к условиям скорости текучей среды в том месте, где установлена машина). Текучая среда, направляемая такой формой лопасти, имеет переменный угол атаки. Для каждого угла атаки лопасть будет всегда иметь вогнутость, которая создает аэродинамическую силу, которая в итоге будет результатом всех сил данного типа, которые будет создавать каждая из отдельных вогнутостей, образующих лопасть.

- Вторая сила является результатом эффекта Бернулли, в соответствии с которым текучая среда ускоряется, когда уменьшается поперечное сечение канала, в котором она перемещается. Таким образом, уменьшение в поперечном сечении, кривизне и угле закручивания отбирает энергию, возникающую в результате данного эффекта.

Конечным результатом является сочетание данных эффектов.

Ниже будет более подробно описан пример лопасти 2, показанный на фиг. 4-6.

Такая лопасть 2 использует характеристики лопасти, описанные выше. Она выполнена таким образом, что ее средняя линия 10 находится в плоскости Р.

Ось $${\overrightarrow{Y}}_o$$ является такой, что пересечение средней линии 10 с плоскостью $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ образует точку А на средней линии 10, расположенную по существу на передней кромке 4.

Плоскость Р расположена под углом d относительно плоскости $${\overrightarrow{X}}_o,{\overrightarrow{Y}}_o$$ .

Угол d, предпочтительно, находится в пределах от 50° до 90° и, предпочтительно, от 55° до 65°. Более предпочтительно, он по существу равен 60°.

В дальнейшем кривизна средней линии 10 в плоскости Р будет называться основной кривизной. Предпочтительно, основная кривизна по существу постоянна. Данная основная кривизна имеет радиус кривизны RP, находящийся в пределах от L/2 до 10L и предпочтительно от 0,7L до L.

Таким образом, для данного примера лопасти 2, как и для примеров, проиллюстрированных на фиг. 1-3 и 7-8, проекция средней линии на плоскость $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ имеет первую кривизну, а проекция средней линии на плоскость $${\overrightarrow{Z}}_o,{\overrightarrow{X}}_o$$ имеет вторую кривизну.

Как показано в варианте осуществления, изображенном на фиг. 1-6, основная кривизна выполнена таким образом, что средняя линия 10 отклоняется от оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения от передней кромки 4 к задней кромке 5. В соответствии с другим вариантом осуществления, показанным на фиг. 7 и 8, основная кривизна выполнена таким образом, что средняя линия приближается к оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения от передней кромки к задней кромке. Данный вариант осуществления является особенно предпочтительным с точки зрения выходной мощности.

Предпочтительно, точка А расположена на оси $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , а плоскость Р по существу параллельна оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ .

В примере, показанном на фиг. 1-6, между передней кромкой 4 и задней кромкой 5, средняя линия 10 содержит точку В, которая находится в плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ . Кроме того, средняя линия 10 образует точку С на задней кромке 5. Таким образом, средняя линия 10 содержит два участка, соответственно ограниченные точками А и В и точками В и С и соответственно упоминаемые как участок АВ и участок ВС.

Лопасть 2 выполнена таким образом, что участки АВ и ВС расположены по обе стороны от плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ . В показанном примере координаты точки А на оси $${\overrightarrow{Y}}_o$$ положительные. Координаты точек на средней линии, образующих участок АВ на оси $${\overrightarrow{Z}}_o$$ , отрицательные, а координаты точек средней линии, образующих участок ВС на оси $${\overrightarrow{Z}}_o$$ положительные.

Касательная к средней линии 10 в точке А образует угол, равный приблизительно 13°, с плоскостью $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ .

Предпочтительно, длина участка АВ приблизительно равна одной третьей длины участка АС.

Направляющая поверхность 3 закручивается вокруг средней линии 10. Данное закручивание происходит в направлении по часовой стрелке от передней кромки 4 к задней кромке 5.

Предпочтительно, направляющая поверхность 3 закручивается вокруг средней линии 10 вдоль участка ВС и не закручивается вдоль участка АВ.

Предпочтительно, угол закручивания является постоянным вдоль участка ВС. Он находится в пределах от 40° до 80° и, предпочтительно, составляет порядка 60°.

Таким образом, лопасть способна, помимо прочего, сочетать в себе аэродинамическую силу, являющуюся результатом сжатия и углубления, образованных вдоль лопасти 2, и ускорение текучей среды, создаваемое эффектом Бернулли. Кроме того, эффекты, вызываемые лопастью 2, создаются в трех измерениях, в отличие от известных лопастей, которые направляют текучую среду в двухмерном пространстве.

Аэродинамические эффекты, связанные с участками АВ и ВС, по существу аналогичны эффектам, связанным соответственно с первой и второй частями лопасти, описанными ранее со ссылкой на фиг. 1-3.

Как и в случае лопастей, показанных на фиг. 1-3 и 7-8, направляющая поверхность 3 содержит отверстие 6, продолжающееся по существу параллельно средней линии 10, при этом сечения направляющей поверхности 3 по существу имеют форму полукруга.

Направляющая поверхность 3 может быть выполнена как одно целое. Фиг. 4 показывает геометрическое формирование лопасти. Оно используется для создания формы, из которой будет получена лопасть.

Получается, что лопасть 2 в соответствии с изобретением, размеры которой отвечают приведенным ниже отношениям, имеет очень высокую выходную мощность:

D_перед/4≤D_задн≤D_перед/2 и D_перед·3≤L≤D_перед·5

Более конкретно,

D_перед/3,5≤D_задн≤D_перед/2,5 и D_перед·3,5≤L≤D_перед·4,5

Более конкретно,

D_задн=D_перед/3 и L=4 D_перед,

где

D_перед характеристический размер сечения направляющей поверхности у передней кромки. Для полукруглого сечения Вперед соответствует диаметру упомянутого сечения у передней кромки.

D_задн характеристический размер сечения направляющей поверхности у задней кромки. Для полукруглого сечения D_задн соответствует диаметру упомянутого сечения у задней кромки.

L длина хорды средней линии 10 между передней и задней кромками.

В качестве примера лопасть 2, показанная на фиг. 4-6, имеет следующие размеры:

- длина средней линии, L=2 м; D_перед ⁼0,50 м; D_задн=0,17 м; радиус основной кривизны, RP=1,60 м; угол d=60°; угол пересечения с дугой средней линии, O=72°.

Длина средней линии приспособлена к генерированию требуемой энергии, и это остается в силе даже для больших количеств энергии, измеряемых в мегаваттах.

Как указано выше, другой целью изобретения является ротор для устройства генерирования энергии из потока текучей среды.

Такой ротор содержит ось 1, показанную на фиг. 1 и 2, а также, по меньшей мере, одну лопасть 2. Как показано на фиг. 5 и 6, ротор содержит три лопасти, расположенные вокруг оси и отстоящие друг от друга на угол 120°. Количество лопастей может быть меньшим или большим.

Лопасть 2 содержит средства прикрепления, которые не показаны, для соединения направляющей поверхности 3 с осью 1 ротора. Соединительные средства хорошо известны специалисту, такие как проиллюстрированные в документе FR 2172867.

Когда лопасти установлены на оси, передняя кромка, вместе с осью $${\overrightarrow{X}}_o$$ , образуют угол α, известный как угол атаки, в плоскости $${\overrightarrow{Z}}_o,{\overrightarrow{X}}_o$$ . Необходимо отметить, что ось $${\overrightarrow{X}}_o$$ , вокруг которой должна вращаться лопасть 2, по существу параллельна направлению ветра.

Угол атаки α находится в пределах от -20° до 40° и, более предпочтительно, от -15° до 30°. Еще более предпочтительно, угол атаки находится в пределах от -15° до 10°.

Ротор выполнен с возможностью ограничения, в максимально возможной степени, расстояния между осью 1 и направляющей поверхностью 3, чтобы уменьшить механическую нагрузку на детали, образующие ротор. Таким образом, как показано на фиг. 5 и 6, направляющая поверхность 3 расположена рядом с осью.

Проекцией плоскости Р на плоскости XY является прямая линия, которая параллельна оси X, но которая может также образовывать с данной осью угол β, известный как угол наклона.

Угол β наклона находится в пределах от 0° до 30° и, более предпочтительно, от 0° до 20°. Еще более предпочтительно, угол β наклона находится в пределах от 0° до 12°.

Предпочтительно, соединительные средства выполнены таким образом, что угол α атаки и/или угол β наклона зависят от скорости ветра. Таким образом, можно регулировать угол α атаки таким образом, чтобы скорость вращения ротора оставалась по существу постоянной независимо от скорости ветра.

В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг. 7 и 8, ротор содержит 4 лопасти. Средняя линия каждой из данных лопастей находится в плоскости Р, и две соответствующие им кромки, образованные отверстием 6, также находятся в данной плоскости. Данная последняя характерная особенность очевидна в двух лопастях, показанных на фиг. 7. Данная лопасть содержит характеристики лопастей, описанных ранее со ссылкой на фиг. 1-6. Однако она необязательно закручивается вокруг средней линии. Средняя линия является изогнутой. Данная кривизна стремится сблизить заднюю кромку 5 и ось $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения друг с другом.

Изобретение также относится к устройству генерирования энергии, содержащему обтекатель, на котором установлен ротор, вращающийся вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ , а также генератор энергии, соединенный с ротором.

Предпочтительно, устройство содержит средство вращения для ориентирования оси 1 ротора по существу параллельно направлению ветра.

Обтекатель может быть также установлен с возможностью вращения на мачте, продолжающейся по существу вертикально, когда направление текучей среды является горизонтальным. Кроме того, устройство может быть также выполнено таким образом, что сопротивление воздуха ориентирует систему навстречу текучей среде без необходимости дополнительного средства вращения.

Лопасти, которые являются целями настоящего изобретения, используются для создания устройств генерирования энергии, мощности которых значительно выше, чем мощности известных устройств генерирования энергии.

Лопасть в соответствии с изобретением может быть также выполнена одним из способов, который можно использовать для ее изготовления. Такой способ заключается в использовании лопасти, содержащей направляющую поверхность, внутри которой должна перемещаться текучая среда, чтобы вращать лопасть вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, при этом лопасть ограничена передней кромкой и задней кромкой, причем направляющая поверхность сужается между передней кромкой и задней кромкой. Кроме того, данный способ включает этап, на котором лопасть выполняется таким образом, что направляющая поверхность продолжается вдоль средней линии, находящейся в плоскости Р. Кроме того, направляющая поверхность выполнена таким образом, что плоскость Р расположена под углом d относительно ортогональной плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ причем плоскость $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ является такой, что у передней кромки средняя линия пересекается с данной плоскостью.

Может быть также предусмотрен дополнительный этап, в соответствии с которым средняя линия изгибается в плоскости Р.

Данный изгиб может быть таким, что задняя кромка имеет тенденцию отклоняться от оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ , как показано на фиг. 1-6. В альтернативном варианте осуществления данный изгиб является таким, что задняя кромка имеет тенденцию сближаться с осью $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения. Данный вариант осуществления значительно повышает мощность ветровой турбины.

Направляющая поверхность может также предусматривать закручивание вокруг средней линии.

В соответствии с другим вариантом осуществления, направляющая поверхность имеет первый изгиб, направление кривизны которого, обозначенное как первое направление кривизны, по существу перпендикулярно оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, и второй изгиб, направление кривизны которого, обозначенное как второе направление кривизны, по существу расположено под углом относительно первого направления кривизны. Предпочтительно, второе направление кривизны по существу перпендикулярно первому направлению кривизны. Более конкретно, оно по существу перпендикулярно плоскости $${\overrightarrow{Z}}_o$$ , $${\overrightarrow{X}}_o$$ .

Предпочтительно, лопасть содержит первую часть, продолжающуюся от передней кромки до задней кромки, кривизна которой по существу нулевая вдоль первого направления кривизны. Она содержит вторую часть, которая продолжается от первой части до задней кромки, и кривизна которой соответствует первому направлению кривизны. Данный первый изгиб является таким, что задняя кромка и ось $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения имеют тенденцию сближаться.

Данная двойная кривизна помогает улучшить передачу энергии между текучей средой и лопастью. Это увеличивает выходную мощность последней.

Направлением кривизны является направление оси или осей, параллельных друг другу, вокруг которых лопасть деформируется с возможностью получения требуемой кривизны. Одна и та же часть лопасти может иметь несколько направлений кривизны.

Лопасть может иметь постоянную кривизну (одну ось, один радиус) вдоль одного направления кривизны или кривизну, радиус которой изменяется и/или имеет несколько осей кривизны, параллельных данному одному направлению кривизны.

Предпочтительно, каждая из первой и второй кривизны является постоянной вдоль изогнутой части лопасти.

Лопасть в соответствии с предыдущим вариантом осуществления может быть также образована одним из способов для ее получения. Такой способ заключается в использовании лопасти, содержащей направляющую поверхность, внутри которой должна перемещаться текучая среда, чтобы приводить в движение лопасть с возможностью вращения вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, причем лопасть ограничена передней кромкой и задней кромкой, и направляющая поверхность сужается между передней кромкой и задней кромкой. Например, лопасть может иметь форму полуконуса.

Предусмотрен этап, который заключается в сгибании лопасти, по меньшей мере, вдоль части, продолжающейся от задней кромки до передней кромки, вдоль первого направления кривизны.

Предусмотрен также другой этап, который заключается в сгибании лопасти, по меньшей мере, вдоль данной одной части, вдоль второго направления кривизны, по существу расположенного под углом относительно первого направления кривизны. Второе направление кривизны может быть по существу перпендикулярным первому направлению кривизны.

Предпочтительно, первое направление кривизны по существу перпендикулярно плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , и второе направление кривизны по существу перпендикулярно плоскости $${\overrightarrow{Z}}_o$$ , $${\overrightarrow{X}}_o$$ .

Данные два этапа сгибания лопасти могут выполняться таким образом, что средняя линия остается в плоскости Р, расположенная под углом d относительно ортогональной плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ как упомянуто выше.

Может быть предусмотрен этап закручивания направляющей поверхности вокруг средней линии.

Настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления и распространяется на все варианты осуществления, соответствующие его цели.

Кроме того, можно регулировать профиль передних кромок 4 и задних кромок 5, даже если средняя линия не имеет вдоль значительной части своей длины вышеупомянутых характеристик.

Кроме того, лопасть данного типа может быть использована с любым типом текучей среды и, в частности, с воздухом или водой.

Ссылочные позиции

1. Ось

2. Лопасть

3. Направляющая поверхность

4. Передняя кромка

5. Задняя кромка

6. Отверстие

7. D_ПЕРЕД

8. D_ЗАДН

9. Длина хорды

10. Средняя линия

Группа изобретений относится к устройству генерирования энергии из текучей среды и лопасти, использующейся в нем, и может быть использована, в частности, в ветровых генераторах. Лопасть для устройства генерирования энергии из текучей среды содержит направляющую поверхность, внутри которой должна перемещаться текучая среда, чтобы вращать лопасть вокруг оси Хо вращения, которая вместе с осями Yo, Zo образует ортогональную систему координат Xo, Yo, Zo. Упомянутая лопасть ограничена передней кромкой (4) и задней кромкой (5), сужается между передней кромкой (4) и задней кромкой (5), проходит вдоль средней линии (10). Проекция средней линии (10) на плоскость Xo, Yo имеет первую кривизну. Плоскость Xo, Yo образована с возможностью содержания средней линии (10) у передней кромки (4). Группа изобретений направлена на повышение выходной мощности устройства генерирования энергии. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Лопасть (2) для устройства генерирования энергии из текучей среды, содержащая направляющую поверхность (3),
- внутри которой должна перемещаться текучая среда, чтобы приводить в движение лопасть (2) с возможностью вращения вокруг оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения, которая вместе с осями $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ образует ортогональную систему координат $${\overrightarrow{X}}_o$$ _, $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , $${\overrightarrow{Z}}_o$$ ,
- ограниченную передней кромкой (4) и задней кромкой (5),
- сужающуюся между передней кромкой (4) и задней кромкой (5),
- продолжающуюся вдоль средней линии (10),
отличающаяся тем, что проекция средней линии (10) на плоскость $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ имеет первую кривизну, выполненную таким образом, что в плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ средняя линия смещается от или к оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ вращения от передней кромки к задней кромке, причем плоскость $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ образована с возможностью содержать в себе среднюю линию (10) вдоль передней кромки (4).

2. Лопасть (2) по п. 1, в которой проекция средней линии (10) на плоскость $${\overrightarrow{Z}}_o,{\overrightarrow{X}}_o$$ имеет вторую кривизну.

3. Лопасть (2) по п. 1 или 2, в которой средняя линия (10) находится в плоскости Р, расположенной под углом d относительно плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ .

4. Лопасть (2) по п. 3, в которой угол d находится в пределах от 50° до 90° и, предпочтительно, от 55° до 65°.

5. Лопасть (2) по п. 3, в которой плоскость Р по существу параллельна оси $${\overrightarrow{X}}_o$$ .

6. Лопасть (2) по п. 3, в которой средняя линия имеет в плоскости Р основную кривизну, имеющую постоянный радиус.

7. Лопасть (2) по любому из пп. 1, 2, 4, 5 или 6, в которой средняя линия (10) содержит точку А на передней кромке, точку В, находящуюся в плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , и точку С на задней кромке (5), так что участки АВ и ВС средней линии, соответственно ограниченные точками А и В и точками В и С, расположены по обе стороны от плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ , причем участок АВ средней линии (10) образует, относительно плоскости $${\overrightarrow{X}}_o$$ , $${\overrightarrow{Y}}_o$$ полость, находящуюся в пределах от 10% до 15%.

8. Лопасть (2) по любому из пп. 1, 2, 4, 5 или 6, в которой направляющая поверхность (3) закручивается вокруг средней линии (10).

9. Лопасть (2) по п. 8, в которой направляющая поверхность (3) имеет вдоль участка ВС угол закручивания вокруг средней линии (10), находящийся в пределах от 40° до 80° и, предпочтительно, составляющий порядка 60°, и не имеет угла закручивания вдоль участка АВ.

10. Лопасть (2) по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 6 или 9, в которой направляющая поверхность (3) содержит отверстие (6), продолжающееся по существу параллельно средней линии (10).

11. Лопасть (2) по п. 8, в которой в любой точке pi средней линии (10) сечение направляющей поверхности (3), находящееся в плоскости $${\overrightarrow{y}}_i,{\overrightarrow{z}}_i$$ , перпендикулярной плоскости Р, является симметричным относительно плоскости $${\overrightarrow{z}}_i,{\overrightarrow{x}}_i$$ , причем плоскости $${\overrightarrow{y}}_i,{\overrightarrow{z}}_i$$ и $${\overrightarrow{z}}_i,{\overrightarrow{x}}_i$$ определяются ортогональной системой координат $${\overrightarrow{x}}_i,{\overrightarrow{y}}_i,{\overrightarrow{z}}_i$$ , центр которой совпадает с точкой pi, ось $${\overrightarrow{x}}_i$$ которой совпадает с касательной к средней линии (10) в точке pi и направлена к задней кромке (5), и оси $${\overrightarrow{y}}_i,{\overrightarrow{z}}_i$$ которой соответствуют упомянутому углу закручивания.

12. Лопасть (2) по п. 11, в которой сечение направляющей поверхности (3) имеет форму участка окружности.

13. Лопасть (2) по п. 12, в которой при диаметре D_перед (7) сечения направляющей поверхности (3), взятом у передней кромки (4), диаметр D_задн (8) сечения направляющей поверхности (3), взятый у задней кромки, является таким, что D_перед/3,5≤D_задн≤D_перед/2,5.

14. Лопасть (2) по п. 12 или 13, в которой при диаметре D_перед (7) сечения направляющей поверхности (3), взятом у передней кромки (4), хорда между передней кромкой (4) и задней кромкой (5) имеет длину L (9), такую что:
D_перед·3,5≤L≤D_перед·4,5.

15. Устройство для генерирования энергии из текучей среды, содержащее ротор с, по меньшей мере, одной лопастью (2) по любому из предыдущих пунктов.