Область техники
Раскрыта вертикально-осевая ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока воздуха или воды в соответствии с условиями эксплуатации.
Предшествующий уровень техники
Когда вертикально-осевая ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока работает в ветровом режиме, регулирование потока воздуха осуществляется посредством использования шарнирно соединенных направляющих лопастей с размерами, связанными с шириной лопатки ротора. Каждая шарнирно соединенная направляющая лопасть содержит подвижную направляющую часть и неподвижную направляющую часть, образующие соответственно подвижную направляющую лопасть и неподвижную направляющую лопасть.
Она, как правило, состоит из шести групп подвижных направляющих лопастей, каждая соединенная с неподвижной направляющей лопастью, выполняющих разные функции в динамике текучей среды (воздуха).
Подвижная направляющая лопасть выполнена так, что захватывает большую движущуюся массу воздуха, чем захватывал бы ротор без упомянутых лопастей, а неподвижная направляющая лопасть концентрирует и направляет текучую среду прямо на лопатки ротора быстрее, чем скорость внешнего ветра.
Ротор работает на силе сопротивления; вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием потока воздуха имеет значительные преимущества по сравнению с обычными вертикально-осевыми турбинами за счет работы на силе сопротивления и высокой скорости.
Когда вертикально-осевая ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока работает в гидравлическом режиме, находясь в текучей воде, управление потоком осуществляется посредством использования шарнирно соединенных, направляющих лопастей с размерами, связанными с шириной лопатки ротора. Каждая шарнирно соединенная направляющая лопасть содержит подвижную направляющую часть и неподвижную направляющую часть, образующие соответственно подвижную направляющую лопасть и неподвижную направляющую лопасть.
Она, как правило, состоит из шести групп подвижных направляющих лопастей, каждая соединенная с неподвижной направляющей лопастью, выполняющих разные функции в динамике текучей среды (в данном случае жидкостей, таких как вода).
Подвижная направляющая лопасть выполнена так, что захватывает большую движущуюся массу текучей среды, чем захватывал бы ротор без упомянутых лопастей, а неподвижная направляющая лопасть концентрирует и направляет текучую среду прямо на лопатки ротора быстрее, чем скорость внешней текучей среды, в которой турбина гидравлически установлена.
Ротор работает на силе сопротивления; вертикально-осевая турбина с регулированием потока в гидравлическом режиме имеет значительные преимущества по сравнению с обычными вертикально-осевыми турбинными системами за счет работы на силе сопротивления.
О ветровых турбинах
Роторы Савониуса представляют собой вид вертикально-осевой ветровой турбины, используемой для преобразования энергии ветра в крутящий момент на вращающемся валу. Они были изобретены финским инженером Сигурдом Дж. Савониусом в 1922 г.
Турбины Савониуса - одни из самых простых турбин. С точки зрения аэродинамики, они представляют собой устройства, основанные на силе лобового сопротивления или противодействия, содержащие две или три лопасти. Если смотреть на ротор сверху, то лопасти образуют S-образную форму. Благодаря такой кривизне лопасти испытывают меньшее сопротивление при движении против ветра, чем по ветру. Данная разница вынуждает турбину Савониуса вращаться. Как устройство, основанное на лобовом сопротивлении, турбина Савониуса извлекает значительно меньшую силу ветра, чем такие же по размеру турбины, основанные на подъемной силе. С другой стороны, нет необходимости устанавливать турбины в направлении ветра, они лучше выдерживают турбулентность и способны запускать вращение при слабых ветрах. Эта турбина самая дешевая и самая простая в использовании.
Турбины Савониуса используют тогда, когда стоимость важнее, чем эффективность. Например, большинство анемометров представляют собой турбины Савониуса (или производную конструкцию), поскольку эффективность совершенно неважна для данного применения. Турбины Савониуса со значительно большими размерами используются для генерирования электроэнергии в глубоководных буях, которые нуждаются в малых объемах электроэнергии и требуют очень малого технического обслуживания. Самым распространенным применением турбины Савониуса является вентилятор Флетнера, который обычно виден на крышах фургонов и автобусов, используемый в качестве охлаждающего устройства. Данный вентилятор был создан немецким инженером Антоном Флетнером. В настоящее время турбину Савониуса все больше используются для приведения в действие небольших электроприборов.
Ветровая турбина Дарье представляет собой вид вертикально-осевой турбины, которая используется для генерирования электроэнергии из энергии, переносимой ветром. Данная турбина содержит ряд подъемных поверхностей, обычно, но не всегда, вертикально закрепленных на вращающемся валу или раме. Данное устройство ветровой турбины было запатентовано французским инженером Жоржем Жаном-Мари Дарье в 1931 г.
Обычные дифференциальные системы Савониуса и Дарье создают турбулентность и переменные нагрузки на роторе, приводящие к паразитным усилиям и вибрациям, которые ограничивают КПД и управление системой.
Патент США 6824349 относится к ротору, работающему при малых скоростях ветра, который содержит основание, раму ротора, вращательно закрепленную на упомянутом основании для вращения вокруг вертикальной оси по часовой стрелке, и множество поворотных щитков для приема ветра, поворотно установленных на упомянутой раме ротора, для вращения вокруг вертикальной оси по часовой стрелке между первым закрытым положением и вторым открытым положением, причем основные отличия между объектом настоящего изобретения и объектом патента США 6824349 заключаются в том, что последний представляет собой устройство прямого действия без усилителя воздушного потока; оно также включает в себя движущиеся части в роторе, которые уменьшают скорость и КПД, оно представляет собой сложный механизм, подверженный эрозии и износу с проблемами смазки. Кроме того, упомянутая система является шумящей и медленной, что не вносит значительного вклада в общий КПД.
Патент США 4468169 относится к ветровой турбине с гибкими лопастями с регулируемым высоким крутящим моментом, которая состоит из горизонтально закрепленного ветроколеса, которое содержит раму, приспособленную для вращения в горизонтальной плоскости вокруг перпендикулярной центральной оси, множество вспомогательных осей, закрепленных с возможностью вращения на упомянутой раме около ее периферии, лопасть, закрепленную около ее одного конца каждой вспомогательной оси, множество ограничителей лопастей на упомянутой раме, радиально размещенных внутри от осей, чтобы ограничивать вращение лопастей, причем каждая из упомянутых вспомогательных осей приспособлена для вращения около оси, которая расположена под углом относительно вертикали упомянутой горизонтальной плоскости, в результате чего каждая лопасть имеет предпочтительное, заданное исходное положение, определяемое направлением наклона каждой оси от вертикальной линии; основные отличия между объектом настоящего изобретения и объектом патента США 4468169 заключаются в том, что последний также относится к устройству прямого действия без усилителя воздушного потока, он также включает в себя движущиеся части в роторе, которые уменьшают скорость и КПД, он представляет собой сложный механизм, подверженный эрозии и износу с проблемами смазки, и данная система является шумящей и медленной, имеющей низкий общий КПД.
Патент США 7083382 относится к вертикально-осевой ветровой турбине, причем упомянутое изобретение обеспечивает главный двигатель для использования энергии потока текучей среды, причем упомянутый главный двигатель содержит вал, имеющий, ось вращения, приспособленный для вращательного прикрепления к основанию, причем упомянутый вал содержит по меньшей мере одну консоль, продолжающуюся радиально из упомянутого вала, причем упомянутая консоль или каждая консоль содержит по меньшей мере одну лопасть, причем упомянутая лопасть или каждая лопасть расположена так, что воздействие потока на лопасть оказывает влияние на ось вращения, причем упомянутая лопасть или каждая лопасть подвижно закреплена на консоли и при этом каждая лопасть выполнена с возможностью перемещения из первого положения, обеспечивающего первое лобовое сопротивление, во второе положение, которое обеспечивает второе лобовое сопротивление, причем упомянутое первое лобовое сопротивление выше, чем упомянутое второе лобовое сопротивление.
Привод упомянутого главного двигателя обеспечивает значительно уменьшенное лобовое сопротивление потоку текучей среды, и увеличенный крутящий момент на выходе, по сравнению с двигателями или главными турбинами известного уровня техники, однако основные отличия от объекта настоящего изобретения заключаются в том, что ветровая турбина, описанная в патенте США 7083382, представляет собой устройство прямого действия без усилителя воздушного потока, содержащее множество движущихся частей, которые уменьшают скорость и КПД, оно содержит сложный механизм, подверженный износу в результате эрозии, и имеет проблемы смазки, приводящие в результате к шумящему и медленному оборудованию, имеющему низкий общий КПД.
Публикация испанской заявки 2161650 относится к системе для использования энергии ветра, которая содержит ветряк с вертикальной осью, из которой выступает множество радиальных консолей, причем консоли каждой пары являются противоположными друг другу, и на конце каждой из данных консолей, закрепленных на шарнире, расположена прямоугольная лопасть, вертикально установленная в плоскости, перпендикулярной соответствующей радиальной консоли, на которой она шарнирно закреплена. Противоположные лопасти пары находятся в неподвижном состоянии, расположенные перпендикулярно направлению ветра, позволяя выдерживать осевое давление и отклоняя данную пару лопастей, ограничивая угол отклонения данных лопастей посредством ограничителя. Каждая из упомянутых лопастей соединена с элементом восстановления, который устанавливает упомянутую лопасть упомянутой верхней консоли перпендикулярно шарнирно соединенной с ней консоли, когда осевое давление прекращается; основные отличия между настоящим изобретением и объектом испанской публикации 2161650 заключаются в том, что последний не содержит усилителя или концентратора потока, он содержит движущиеся части в роторе, он содержит механизм прямого действия с регулированием ротора, который активируется при каждом обороте, который неэффективен в заснеженных районах вследствие потерь энергии, он не приспособлен для полного закрытия в случае ураганных ветров, он имеет проблемы смазки, шум, низкий КПД, износ, низкую скорость, невозможно регулировать скорость, невозможно полностью выключить его для ремонта, и обеспечивает низкую конечную скорость.
Публикация испанской заявки, соответствующая ES 2020711, относится к вращающемуся валу для ветровых турбин, который содержит неподвижную башню, приспособленную для установки на земле, размещая основную ось вертикально, причем на ее верхнем конце и выше упомянутой башни множество радиальных и горизонтальных консолей закреплены вместе, с равномерным распределением, каждая из которых содержит одну или несколько пластин или лопастей, которые образуют средства, воспринимающие воздействие ветра, причем упомянутая турбина отличается тем, что упомянутые лопасти прикреплены шарнирно к упомянутым консолям при помощи вертикальных осей поворота и выполнены с возможностью приспосабливаться к таким консолям, при помощи защитной оболочки, во время полупериода, в котором упомянутая действующая консоль захватывает ветер, и принимать конфигурацию, параллельную упомянутому направлению ветра во время нерабочего полупериода, осуществляя поворот упомянутой консоли против направления ветра, основные отличия между настоящим изобретением и объектом испанской публикации 2020711 заключаются в том, что последний содержит механизм прямого действия с регулированием ротора и движущимися частями, который активируется при каждом обороте, существуют потери энергии, и неэффективен в заснеженных участках, не приспособлен для полного закрытия в случае ураганных ветров, а также имеет проблемы смазки, шум, износ, низкий КПД, невозможно также регулировать скорость и отключить его полностью для закрепления, и, наконец, упомянутый вращающийся вал для ветровых турбин имеет низкую конечную скорость в соответствии с его конфигурацией.
Испанская публикация ES 2310965 относится к ветровой или гидравлической турбине, содержащей множество сопел в тонкой вертикальной стенке, которые образуют неподвижную структуру турбины.
В данной структуре предусмотрено рабочее колесо с вертикальной осью, содержащее лопасти, поворотно прикрепленные к консолям, жестко прикрепленным к упомянутому рабочему колесу, которые способны принимать промежуточные положения между максимальным и минимальным открытием, в зависимости от скорости набегающих потоков. Постепенное открытие лопастей для полного использования соответствующих энергий осуществляется автоматически посредством натяжных устройств, таких как натяжное устройство, состоящее из намоточного барабана и троса, при этом его концы прикреплены к его лопасти и барабану, прикрепленным к рабочему колесу. Радиальная турбина заканчивается крышкой, которая опирается на пластину или разветвляющиеся балки стенок с соплами, причем упомянутая турбина может быть использована для улавливания кинетической энергии воздуха или воды в движении, основные отличия между настоящим изобретением и объектом испанской публикации 2310965 заключаются в том, что данная конструкция не содержит усилителя потока и содержит движущиеся элементы в роторе, которые порождают шум, износ, проблемы смазки и подвергание воздействию абразивных веществ, причем упомянутое устройство обеспечивает низкий общий КПД системы и является очень сложным с точки зрения технического обслуживания, поскольку оно представляет собой подвижное устройство, которое активируется с каждым вращением; его конструкция определяет значительные потери энергии, что делает его неэффективным в заснеженных участках, оно также не приспособлено для полного закрытия в случае ураганных ветров.
Испанская публикация ES 2149638 относится к вертикально-осевой установке для улавливания, концентрирования, направления и использования энергии текучих сред в движении, разрез в плоскости, перпендикулярной оси его ротора, показывает внешнюю зону неподвижных радиальных вертикальных поверхностей, которая улавливает текучую среду, отводя ее в промежуточную зону неподвижных наклонных вертикальных поверхностей, направляющую данную текучую среду к внутренней зоне, где расположен вертикально-осевой ротор, который будет вращаться в направлении ударного действия текучей среды; конструкция упомянутого устройства представляет собой легко приспосабливаемую систему, поскольку она способна использовать ветер или движущуюся воду для вращения ротора; вращение ротора может быть использовано для получения электроэнергии или механической энергии, пригодной для соответствующего использования, основные отличия между настоящим изобретением и объектом испанской публикации 214 9638 заключаются в том, что данная конструкция состоит из неподвижных структур, не связанных с самой системой, она не содержит генератора, поскольку она состоит из изолированных частей без структурного взаимодействия между ними, она не содержит механизма усиления потока, она не приспособлена для полного закрытия для ремонта и в случае ураганного ветра, воздействию которого подвергается ротор, она сложна в изготовлении и требует много пространства для установки; ее форма не позволяет осуществлять установку в зданиях или небольших площадках, таких как платформенные суда, или использование в качестве портативного устройства.
Публикация США 2008/0007067 относится к ветровой турбине и является ближайшим прототипом к объекту настоящего изобретения, причем упомянутая ветровая турбина включает в себя опорный узел, содержащий блок нижнего основания и выступающую цилиндрическую часть, вращающийся цилиндр, поворотно поддерживаемый посредством упомянутой выступающей части, вращающийся вал, продолжающийся из центра упомянутого вращающегося цилиндра, для вращения в том же направлении, верхний подшипник, установленный в упомянутом выступе, для поддержки вращающегося цилиндра, множество лопастей размещены вдоль внешней окружности вращающегося цилиндра с регулярными угловыми интервалами, и открывается наружу относительно вращающегося цилиндра или закрывается так, чтобы находиться в плотном контакте с внешней окружностью вращающегося цилиндра, в соответствии с положением относительно направления ветра, средство, ограничивающее угол, предотвращает открытие каждой лопасти за пределы заданного угла, основные отличия между настоящим изобретением и объектом публикации США 2008/0007067 заключаются в том, что последний не содержит усилителя воздушного потока и, следовательно, может быть достигнут низкий КПД захвата воздуха, система также подвержена воздействию ураганных ветров.
О гидравлических турбинах
В последние годы получение возобновляемой энергии из природных источников представляет собой область значительного интереса и интенсивных разработок. К числу видов энергии, доступных для вертикальных гидравлических турбин, относятся энергия волн и энергия течений.
Энергию волн получают, используя приливы и отливы, посредством подсоединения генератора переменного тока система может быть использована для генерирования электроэнергии, более надежного и пригодного вида энергии. Это один из видов возобновляемой энергии, поскольку основной источник энергии при использовании не истощается, и является чистой, поскольку при преобразовании энергии не возникает твердых, жидких или газообразных загрязняющих побочных продуктов. Однако соотношение между количеством энергии, которое может быть получено при использовании современных средств, и экономическими и экологическими издержками размещения устройств для осуществления технологического процесса, препятствует значительному внедрению данного вида энергии.
Существующий потенциал включает использование кинетической энергии водных течений. Процесс получения основан на преобразователях кинетической энергии, подобных ветровым турбинам, в данном случае с использованием подводных установок.
Гидравлическая турбина представляет собой гидравлическую турбомашину, которая использует энергию текучей среды, проходящей через нее, для получения вращательного движения, которое передается посредством вала, непосредственно приводит в действие машину или генератор, который превращает механическую энергию в электроэнергию, и таким образом он является ключевым элементом гидроэлектрической установки.
К числу известных гидравлических турбин относится турбина Пелтона, одна из самых эффективных гидравлических турбин. Она представляет собой активную турбомашину поперечного тока с частичным впуском. Она состоит из колеса (рабочего колеса или ротора), содержащего ковши на его периферии, которые специально приспособлены для преобразования энергии водяной струи, сталкивающейся с упомянутыми ковшами.
Турбины Пелтона приспособлены для использования гидравлических прыжков при переходе потока от бурного состояния в спокойное. Гидроэлектрические установки, оборудованные турбиной данного типа, большую часть времени, содержат длинную трубу, называемую напорным каналом, для перемещения текучей среды с больших высот, иногда на больше чем двести метров. В конце напорного канала вода подается на турбину через один или несколько игольчатых клапанов, называемых также инжекторами, которые имеют форму сопла, чтобы увеличить скорость потока, падающего на ковши. Турбины Пелтона имеют недостаток в том, что требуют больших разностей высот (гидравлических прыжков) для преобразования гидравлической энергии в электрическую энергию и не имеют регулирования потока текучей среды.
Турбина Френсиса была разработана Джеймсом Б. Френсисом. Она представляет собой реактивную радиально-осевую турбомашину.
Турбины Френсиса представляют собой турбины, которые могут быть приспособлены для широкого диапазона прыжков и потоков, будучи способными работать в диапазонах высот от шести метров до нескольких сотен метров. Это, наряду с ее высокой эффективностью, сделало турбину данного типа самой широко используемой в мире, преимущественно для генерирования электроэнергии посредством гидроэлектрических установок. Турбины Френсиса не имеют регулирования потока текучей среды.
Турбина Турго представляет собой импульсную водяную турбину, приспособленную для прыжков со средним градиентом. Она была разработана компанией Gilkes в 1919 г. на основе модификации турбины Пелтона.
Турбина Турго представляет собой импульсную турбину. Давление воды не изменяется, когда она проходит через лопатки турбины. Потенциальная энергия воды превращается в кинетическую энергию во впускном сопле или инжекторе. Струя воды направляется с высокой скоростью на лопатки турбины, чтобы отклонять и поворачивать обратно поток. Образующийся в результате импульс вращает рабочее колесо турбины, передавая энергию на ось турбины. В конце концов вода выходит с очень малой энергией. Рабочие колеса турбины Турго могут иметь КПД свыше 90%.
Рабочее колесо турбины Турго выглядит так же, как рабочее колесо турбины Пелтона, разделенное пополам. При одинаковой мощности, диаметр рабочего колеса турбины Турго в два раза меньше диаметра рабочего колеса турбины Пелтона, при этом обеспечивая вдвое большую удельную скорость. Рабочее колесо турбины Турго может переносить больший поток воды, чем рабочее колесо турбины Пелтона, поскольку вода выходя не сталкивается со смежными лопатками.
Удельная скорость рабочих колес турбин Турго складывается из скорости турбин Френсиса и Пелтона. Может быть использовано одно или несколько сопел или инжекторов. Увеличение количества инжекторов увеличивает удельную скорость рабочего колеса на квадратный корень из количества струй (четыре струи дают увеличение вдвое удельной скорости струи для данной турбины). Турбина Турго не имеет регулирования потока текучей среды.
Упомянутая выше испанская публикация ES 2310965 относится к ветровой или гидравлической турбине, содержащей множество сопел в вертикальной тонкой стенке, которые образуют неподвижную структуру турбины.
В данной структуре предусмотрено рабочее колесо, с вертикальной осью, содержащее лопасти, шарнирно соединенные с консолями, жестко прикрепленными к упомянутому рабочему колесу, которые способны принимать промежуточные положения между максимальным и минимальным открытием, в зависимости от скорости набегающих потоков. Постепенное открытие лопастей для максимального использования соответствующих энергий осуществляется автоматически посредством натяжных устройств, таких как натяжное устройство, состоящее из намоточного барабана и троса, при этом его концы прикреплены к его лопасти и барабану, прикрепленным к рабочему колесу. Радиальная турбина заканчивается крышкой, которая опирается на пластину или разветвляющиеся балки в стенках с соплами, причем упомянутая турбина может быть использована для улавливания кинетической энергии воздуха или воды в движении, основные отличия между настоящим изобретением и объектом испанской публикации 2310965 заключаются в том, что данная конструкция не содержит усилителя потока и содержит подвижные элементы в роторе, которые порождают вибрацию, износ, проблемы смазки; причем упомянутое устройство обеспечивает низкий общий КПД системы и является очень сложным с точки зрения технического обслуживания, поскольку оно представляет собой подвижное устройство, которое активируется с каждым вращением; его структура определяет значительные потери энергии, оно также не приспособлено для полного закрытия в случае остановки на техническое обслуживание.
Упомянутая выше испанская публикация ES 2149638 относится к вертикально-осевой установке для улавливания, концентрирования, направления и использования энергии текучих сред в движении, при этом разрез в плоскости, перпендикулярной оси ее ротора, показывает внешнюю зону, неподвижных радиальных вертикальных поверхностей, которая улавливает текучую среду, отводя ее в промежуточную зону, неподвижных наклонных вертикальных поверхностей, направляющую данную текучую среду к внутренней зоне, где находится вертикально-осевой ротор, который будет вращаться в направлении ударного воздействия текучей среды; конструкция упомянутого устройства представляет собой легко приспосабливаемую систему, поскольку она способна использовать ветер или движущуюся воду для вращения ротора; вращение ротора может быть использовано для получения электроэнергии или механической энергии, пригодной для соответствующего использования, основные отличия между настоящим изобретением и объектом испанской публикации 2149638 заключаются в том, что данная конструкция состоит из неподвижных структур, не связанных с самой системой, она не содержит генератора, поскольку она состоит из изолированных частей без структурного взаимодействия между ними, она не содержит механизма усиления потока, она не приспособлена для полного закрытия для ремонта и в случае ураганного ветра, воздействию которого подвергается ротор, она сложна в изготовлении и требует много пространства для установки; ее форма не позволяет осуществлять установку в зданиях или небольших площадках, таких как платформенные суда, или использование в качестве портативного устройства.
Публикация заявки на патент GB 2485574 относится к вертикально-осевой водяной турбине, установленной внутри вертикальной башни, которая может быть закреплена на дне моря или реки, ротор имеет прямое действие без концентратора потока воды, ротор представляет собой устройство с низким КПД, поскольку тангенциальная составляющая его скорости равна скорости потока, в центральной зоне ротора возникает турбулентность с потерями энергии, противоток может создаваться в значительной части вращения ротора с противоположно направленными потоками и блокированием захватных входных отверстий башни. Система крепления функционирует на заданной глубине, что не допускает отклонения в изменениях глубины потока в воде, якорь однонаправленный или допускает поток воды только в одном направлении.
Публикация заявки на патент GB 2486697 относится к энергетическому оборудованию, такому как турбина для генерирования электроэнергии из волн или течений рек, содержащей опорную конструкцию на дне реки или водоеме, плавающий генератор энергии и коленчатый вал для перемещения ремня, причем данный генератор энергии содержит прямую систему без усилителя с трудно решаемыми проблемами изоляции, без автоматической трассировки и с высокой стоимостью эксплуатации, с дорогостоящими линиями передачи с риском повреждения и аварий.
Публикация заявки на патент GB 2486911 относится к способу и устройству для генерирования энергии из струйного течения воды, система содержит крепление генератора, поддерживаемое посредством швартовки удерживающими средствами, например, между дном океана и поверхностью воды; узел генератора может вращаться на своей вертикальной оси и представляет собой систему прямого действия без усилителя, с ориентацией потока в малом диапазоне, которая создает вихри и турбулентность, которые снижают эффективность группы двигателей, противоположная циркуляция которых генерирует паразитные поперечные токи. Генератор расположен ниже уровня воды, создавая проблемы изоляции и передачи, функционирует только с текучими средами, перемещающимися с высокой скоростью, при этом тангенциальная составляющая скорости ротора равна скорости потока жидкости.
Патент США 3986787 относится к турбине для рек, которая представляет собой колесную турбину на горизонтальном валу, закрепленном коаксиально в основном сопле, приспособленную для удерживания в течении реки под платформой, которая содержит оборудование для генерирования электроэнергии. Вал турбины и основное сопло находятся в подводном положении и приспособлены пропускать часть потока течения реки через сопло и через колесо турбины. Данная турбина представляет собой дифференциальный силовой исполнительный механизм и ускоряет выходной поток посредством сужения основного сопла; система, усложненная и дорогая с точки зрения технического обслуживания, и подвержена воздействию кавитации вследствие прихватывания ила. Отсутствие улучшения, связанного с КПД или увеличением потока, принимаемого пропеллером, по существу, это неэффективная и непрочная роторная система, при этом невозможно регулирование глубины эксплуатации. Система сложна для крепления и направления и пригодна только для однонаправленных течений.
Патент США 4104536 относится к силовой турбине для течения или реки, содержащей удлиненный цилиндр с радиально продолжающимися лопастями, причем каждая лопасть содержит на своих опорах множество аксиально разнесенных клапанов с ребрами, которые открывают и закрывают их соответствующие отверстия. Данные клапаны открываются автоматически, так что лопасти проникают в хвост волны или сбрасывают давление на нем. Это система прямого действия с горизонтальной осью без усилителя потока, содержащего подвижные лопатки, подверженная большому износу, притом что является шумящей, что не обеспечивает преимуществ по КПД, поскольку она размещается вне водной поверхности, и достигаемая высота минимальная. Она содержит электрогенератор, незащищенный от воздействия влаги, трудно доступный для ремонта.
Патент США 4205943 относится к гидроэлектрическому генератору, в котором его КПД увеличен за счет наличия башенных труб с открытыми концами, содержащих впускные концы рядом с осью и выпускные концы рядом с периферией турбины лопастного вентилятора. Струи воды, создаваемые турбиной лопастного вентилятора, направлены на лопатки турбины на периферии лопастей вентилятора. Данное устройство особенно пригодно для установки на водотоках, таких как реки и океаны. Это сложная и низкоэффективная система из-за потерь энергии при подъеме водяного столба посредством прямого действия без концентратора потока воды. Она сложная для установки и неустойчивая.
Патент США 4236866 относится к системе для получения и регулирования энергии воздуха или морского или речного течения, включающей в себя циклонный преобразователь, состоящий из трех концентрических вращающихся корпусов, любой из них на лопастях или цилиндрических направляющих. Установленная на роликах или другая электромагнитная система делает возможным вращение упомянутого узла вокруг воображаемой или реальной геометрической оси, это система с низким КПД, поскольку она является устройством прямого действия, она демонстрирует турбулентность потока, поскольку она функционирует в плотной среде, такой как вода, энергия теряется в результате увеличения объема водяного столба в центре оборудования. Это система, которая испытывает трудности изоляции и технического обслуживания при использовании в воде.
Патент США 7105942 относится к энергетической установке с вращающимся элементом для генерирования электроэнергии в толще воды, содержащей неподвижно установленную плавающую конструкцию и множество сменных генераторных блоков, поддерживаемых посредством упомянутой конструкции, управление которыми осуществляется посредством течений воды. Это дифференциальная активная система, использующая пропеллеры с изменяющейся кривизной; генератор находится под поверхностью воды с риском воздействия влаги и просачиваний; она содержит переменный пропеллер, подверженный эрозии, она представляет собой дорогостоящий и непрочный механизм, который не является самоустанавливающимся.
Патент США 7471009 относится к устройству, которое описано как турбина для генерирования электроэнергии из текучей среды, например, воды или воздуха, содержащая по меньшей мере один дисковый ротор с множеством лопаток в «гидрокрыле», установочные лопасти, цилиндрический корпус и генерирующие средства. Она представляет собой дифференциальную активную систему с генератором, содержащимся в конце лопаток ротора, ее использование в качестве гидравлической турбины является дорогим и демонстрирует низкий КПД, она сложна для изолирования и в случае ремонта необходимо перемещать всю систему. Крепление является усложненным и неустойчивым в водотоке; она содержит электрическое устройство, незащищенное от течений.
Патент США 8210805 относится к турбине, содержащей рабочее колесо, закрепленное на валу. Рабочее колесо содержит центральное цилиндрическое колесо, закрепленное на валу и множество лопаток, продолжающихся радиально из центра колеса. Лопатки приварены к центру колеса с концевыми пластинами на каждом конце рабочего колеса. Образованы водонепроницаемые камеры для приема воды посредством смежных лопаток, центра колеса и концевых пластин. Впускное отверстие направляет воду к ротору для его вращения. Лопатки имеют изогнутую форму, при этом отсутствует часть лопатки, продолжающаяся под самой высокой частью впускного отверстия, когда другой край лопатки выровнен с верхней частью впускного отверстия. Данная система представляет собой горизонтально-осевую турбину, которая может быть использована только на поверхности воды; она непригодна для глубоких морских течений, крепление сложное, установка трудоемкая, система дорогая и неавтоматическая.
В качестве предшествующего уровня техники также выбраны документ KR 20110136262 А и документ JP 2002322975 А.
В документе KR 20110136262 раскрыто устройство усиления ветра для ветряных двигателей с повышенным КПД, основанное на отсекании ветра, нарушающего вращение лопаток. Устройство усиления ветра для ветряных двигателей содержит блок усиления ветра и блок направления/отсекания. Блок усиления ветра содержит по меньшей мере одну усиливающую ветер лопатку (21) и обеспечивает подачу сжатого воздуха на лопатки (12) ветряного двигателя. Блок направления/отсекания расположено на ребре блока усиления ветра и направляет или отсекает ветряной поток.
В документе JP 2002322975 раскрыто устройство генерирования мощности, использующее энергию волн, приливных, отливных волн, океанского течения и ветра. Устройство генерирования мощности, использующее энергию волн, в том числе приливных и отливных волн, содержит генератор, гидравлическую турбину, подключенную к генератору, погружаемые в морскую воду лопатки, соединенные с плавучим корпусом, и привязной или швартовочный якорь для предварительной установки структуры, состоящей из вышеуказанных элементов, на морской поверхности. Другой целью устройства генерирования мощности является использование энергии ветра, данное устройство содержит генератор, ветряную турбину, напрямую соединенную с генератором и лопатки для подачи и фокусировки ветра, размещенные вокруг турбины. Документ KR 20110136262 А выбран в качестве прототипа.
Краткое описание чертежей
Вертикально-осевая ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока, описанная в данном документе, способна работать в ветровом или гидравлическом режиме с регулированием потока.
Когда данная турбина работает в ветровом режиме, она изображена в приведенных ниже чертежах 1-12 и в дальнейшем она будет называться «вертикально-осевой ветровой турбиной с регулированием потока».
Фиг. 1 представляет собой вид сверху вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием потока воздуха, в котором показаны открытые шарнирно закрепленные направляющие лопасти (1), с подвижной частью (2) и неподвижной частью (3), зоны, соответствующие верхней (4) и нижней (5) поверхности (5) подвижной части, ротор (б), шестиугольная структура (7), радиус (Rt) ротора, измеряемый из центра шестиугольника (8), и соответствующий радиус шестиугольника (R).
Фиг. 2: представляет собой вид сверху вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием воздушного потока, в котором показаны закрытые шарнирно закрепленные направляющие лопасти (1), шестиугольная структура (7), радиус (R) шестиугольника и средняя линия кривизны (mean curvature line - LCM) для подвижной части (2) шарнирно закрепленной направляющей лопасти.
Фиг. 3: показывает шарнирно закрепленную направляющую лопасть (1) с ее подвижной частью (2) в открытом положении и ее неподвижной частью (3), радиус (Rt) окружности, образованной посредством вращения лопаток ротора, зону, соответствующую верхней (4) и нижней поверхности (5) подвижной части, с радиусом, известным как радиус (r) кривизны передней кромки (10), и образующую острый угол на самом узком участке профиля подвижной части, который соответствует внешнему концу подвижной части и который известен как задняя кромка (9), рассматривая аэродинамический профиль подвижной части; показан радиус (r'), соответствующий стороне неподвижной части (3), ближайшей к подвижной части, и радиус (Rt'), соответствующий стороне неподвижной части (3), ближайшей к ротору. На данном чертеже показана средняя линия кривизны (mean curvature line - LCM) для подвижной части (2). На данном чертеже можно видеть, что конечный участок неподвижной части (3) рядом с ротором изменяет направление своей кривизны, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности радиуса Rt, полученной посредством вращения лопаток ротора.
Фиг. 4: представляет собой вид сверху вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием воздушного потока, показывающий открытую подвижную часть (2) шарнирно закрепленных направляющих лопастей, шестиугольную структуру (7) с вершинами (13) шестиугольника, в которых вертикальные оси расположены параллельно центральной оси шестиугольника (8), окружность самой дальней от центра пунктирной линии (12) соответствует соединению всех средних линий кривизны шести подвижных частей (2) шарнирно закрепленных направляющих лопастей, когда они закрыты; система блокировки подвижных частей показана пунктирной линией, которая может быть образована на основе шестиугольной структуры, образованной посредством кольцеобразного элемента (11), центрированного по центральной оси шестиугольника (8), который содержит выступы (14), которые при вращении изменяют нагрузку на угловые планки (16), которые оказывают усилие на выступы (15), которые расположены в основании шести подвижных частей (2) шарнирно закрепленных направляющих лопастей, обеспечивая закрытие подвижных частей.
Фиг. 5 представляет собой вид сверху вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием воздушного потока, который для лучшего понимания не показывает шестиугольную структуру, в котором вертикальными линиями в верхней части чертежа показан захват ветра открытых шарнирно закрепленных направляющих лопастей (1) с их подвижной частью (2) и неподвижной частью (3), при этом подвижные части захватывают ветер со стороны, откуда ветер приходит, и вынуждают его сталкиваться с неподвижной частью (3), концентрируя его на роторе (6), при этом можно видеть, что конечный участок неподвижной части (3) рядом с ротором изменяет траекторию и направление своей кривизны, чтобы повысить КПД, когда воздух входит по касательной к окружности, образованной посредством вращения лопаток ротора.
Фиг. 6 показывает перспективные виды шести подвижных частей каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти.
Фиг. 7: показывает перспективный вид сбоку шарнирно закрепленной направляющей лопасти.
Фиг. 8: показывает перспективный вид шарнирно закрепленной направляющей лопасти, если смотреть со стороны ротора.
Фиг. 9: показывает перспективный вид сбоку снизу правильной шестиугольной структуры радиуса R в форме параллелепипеда.
Фиг. 10 показывает вид сбоку вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием потока воздуха с системой защиты данной турбины внутри колодца; в данном случае турбина расположена в колодце, причем упомянутая система содержит средство для остановки ветровой турбины и соединения ее вала с генератором, при этом предусмотрен держатель вала для удерживания его лежащим.
Фиг. 11 показывает вид сбоку вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием потока воздуха с системой защиты данной турбины внутри колодца, в данном случае посредством гидравлической системы с телескопическими поршнями турбину поднимают и опускают в колодец, который может быть закрыт дверцами.
Фиг. 12 показывает сейсмостойкий блок для соединения вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием воздушного потока с землей или между несколькими вертикально-осевыми ветровыми турбинами с регулированием потока воздуха, установленными одна на другую. Данный сейсмостойкий блок содержит два кольца, соединенные шестью упругими амортизаторами удара, каждый содержащий корпус и поршень, содержащий внутри упругое, гидравлическое, пневматическое средство, такое как, помимо прочих, высокопрочную резину.
Когда ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока настоящего изобретения работает в гидравлическом режиме, она изображена в приведенных ниже чертежах 1', 2', 3, 4, 5', 6-9 и 10' (данная модификация турбины в гидравлическом режиме содержит элементы, показанные на фиг. 3, 4, 6, 7, 8 и 9, используемые при ветровом режиме) и в дальнейшем она будет называться «вертикально-осевой гидравлической турбиной с регулированием потока».
Фиг. 1': представляет собой вид сверху вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока жидкости, в котором показаны открытые шарнирно закрепленные направляющие лопасти (1), с подвижной частью (2) и неподвижной частью (3), участки, соответствующие верхней (4) и нижней поверхности (5) подвижной части, ротор (6) с 6 лопатками, который является полым, шестиугольная структура (7), радиус (Rt) ротора, измеренный из центра шестиугольника (8), и соответствующий радиус (R) шестиугольника. Лопатки ротора выполнены в форме акульих плавников.
Фиг. 2': представляет собой вид сверху вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока жидкости, в котором показаны закрытые шарнирно закрепленные направляющие лопасти (1), шестиугольная структура (7), радиус (R) шестиугольника и средняя линия кривизны (mean curvature line - LCM) для подвижной части (2) шарнирно закрепленной направляющей лопасти. Она содержит полый ротор с шестью лопатками в форме акульих плавников.
Фиг. 3: показывает шарнирно закрепленную направляющую лопасть (1) в открытом положении с ее подвижной частью (2) и ее неподвижной частью (3), в которой показаны радиус (Rt) окружности, образованной посредством вращения лопаток ротора, зоны, соответствующие верхней (4) и нижней поверхности (5) подвижной части, с радиусом, известным как радиус кривизны (r) передней кромки (10), и образующие острый угол на самом узком участке профиля подвижной части, который соответствует внешнему концу подвижной части и который известен как задняя кромка (9), рассматривая аэродинамический профиль подвижной части, показан радиус (r'), соответствующий стороне неподвижной части (3), ближайшей к подвижной части, и радиус (Rt'), соответствующий стороне неподвижной части (3), ближайшей к ротору. На данном чертеже показана средняя линия кривизны (mean curvature line - LCM) для подвижной части (2). В конечном участке неподвижной части (3) рядом с ротором можно наблюдать, что упомянутая часть изменяет траекторию и направление своей кривизны, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора.
Фиг. 4: представляет собой вид сверху вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока жидкости, в котором показана открытая подвижная часть (2) шарнирно закрепленных направляющих лопастей, шестиугольная структура (7) с вершинами (13) шестиугольника, где вертикальные оси расположены параллельно центральной оси шестиугольника (8), при этом окружность самой дальней от центра пунктирной линии (12) соответствует соединению всех средних линий кривизны шести подвижных частей (2) шарнирно закрепленных направляющих лопастей, когда они закрыты; система блокировки подвижных частей показана пунктирной линией, которая может быть образована на основании шестиугольной структуры, образованной посредством кольцеобразного элемента (11), центрированного по оси центра шестиугольника (8), который содержит выступы (14), которые при вращении изменяют нагрузку на угловые планки (16), которые оказывают усилие на выступы (15), которые расположены в основании шести подвижных частей (2) шарнирно закрепленных направляющих лопастей, обеспечивая закрытие подвижных частей.
Фиг. 5': представляет собой вид сверху вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока текучей среды, который, для лучшего понимания, не показывает шестиугольную структуру, в котором вертикальными линиями в верхней части чертежа показан гидравлический захват открытых шарнирно закрепленных направляющих лопастей (1) с их подвижной частью (2) и неподвижной частью (3), при этом подвижные части захватывают весь поток текучей среды со стороны, где упомянутая текучая среда входит, и вынуждает ее сталкиваться с неподвижной частью (3), которая концентрирует ее на полом роторе (6). Форма акульего плавника лопаток полого ротора улучшает захват потока текучей среды на внутренней части плавника, позволяя неиспользованной текучей среде выходить через его внешнюю часть. Кроме того, можно видеть, что конечный участок неподвижной части (3) рядом с ротором изменяет траекторию и направление своей кривизны, чтобы повысить КПД, когда жидкая текучая среда входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора.
Фиг. 6 показывает перспективные виды подвижной части шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей с отверстием, в которое вставляют ось, чтобы обеспечить вращение.
Фиг. 7 показывает перспективный вид сбоку шарнирно закрепленной направляющей лопасти с отверстием, в которое входит ось, чтобы обеспечить вращение.
Фиг. 8: показывает перспективный вид шарнирно закрепленной направляющей лопасти, если смотреть со стороны ротора, с отверстием, в которое входит ось, чтобы обеспечить вращение. В данном чертеже можно видеть, что конечный участок неподвижной части рядом с ротором изменяет траекторию и направление, чтобы повысить КПД, когда текучая среда (жидкость) входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора.
Фиг. 9 показывает перспективный вид сбоку снизу правильной шестиугольной структуры радиуса R, в форме параллелепипеда, при этом каждая из осей вставлена в отверстие каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти, позволяя ей вращаться вокруг упомянутой оси.
Фиг. 10': показывает вид сверху вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока жидкости, в которой полый ротор (6) с 12 лопатками в форме акульих плавников имеет больший размер, поскольку он содержит больше лопаток, при этом в шарнирно закрепленных направляющих лопастях (1) неподвижная часть (3) уменьшается в размере по сравнению с вертикально-осевой гидравлической турбиной с регулированием потока текучей среды, показанной на фиг. 1'.
Описание изобретения
Когда ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока настоящего изобретения работает в ветровом режиме, в дальнейшем она будет называться «вертикально-осевой ветровой турбиной с регулированием потока».
Данная вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием потока принимает на лопатках ротора мощный и гомогенизированный воздух вдоль всей своей длины, предусматривающая регулируемое открытие шарнирно закрепленной направляющей лопасти посредством подвижных частей данной лопасти, которые регулируют ввод воздуха, который приходит с любого направления, и соответствующих неподвижных частей, которые концентрируют воздух на лопатках ротора с более высокой скоростью и равномерно.
Вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием потока содержит структуру в виде правильного шестиугольника радиуса R, в форме параллелепипеда, внутри которой ротор с тремя лопатками вращается вокруг вертикальной оси, которая расположена в центре шестиугольника, если смотреть сверху, при этом упомянутые лопатки при вращении образуют окружность радиуса Rt, причем упомянутая турбина дополнительно содержит шарнирно закрепленные направляющие лопасти, которые учитывают и концентрируют набегающий поток воздуха на лопатках ротора, со стороны входа ветра в турбину, и рассеивают поток воздуха, сходящий с лопаток ротора, на стороне, противоположной стороне входа ветра в турбину.
Вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием потока, которая содержит шесть шарнирно закрепленных направляющих лопастей, которые содержат неподвижную часть, заключенную в правильной шестиугольной структуре, и другую подвижную часть, дугообразную на их внешних стенках, которые могут вращаться вокруг осей, параллельных оси ротора, которые расположены в каждой их шести вершин шестиугольной правильной структуры, если смотреть сверху.
Упомянутая неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит усилитель вертикальной ветровой турбины для использования набегающего воздушного потока; причем упомянутая неподвижная часть каждой лопасти содержит дуги, которые продолжают кривизну подвижной части на их участке, ближайшем к подвижной части, а затем изменяют траекторию и направление кривизны в конечном участке рядом с ротором, причем данное изменение траектории и направления кривизны позволяет повысить КПД, когда текучая среда (воздух) входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора.
Воздух загоняется в пространство между двумя неподвижными частями лопастей, которое сужается в направлении оси и которое дополнительно оптимизировано посредством изменения траектории и направления кривизны в конечном участке неподвижной части рядом с ротором, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора, так что поток воздуха ускоряется вблизи ротора, который получает энергию, чтобы вырабатывать электроэнергию.
Неподвижная часть шарнирно закрепленной направляющей лопасти на той стороне, где воздух входит в систему, функционирует как концентраторы воздушного потока на лопатках ротора, а шарнирно закрепленная направляющая лопасть, расположенная на той стороне, где воздушный поток выходит из системы, функционирует как рассеиватели потока воздуха, который вынуждал лопатку ротора вращаться.
Каждая из дугообразных подвижных частей шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей на своих внешних стенках содержат вертикальные пластины слоистой конфигурации, расположенные в упомянутом направлении вращения ротора, чтобы использовать налетающий ветер в любом направлении.
Каждая подвижная часть каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей, расположенных на осях, параллельных оси ротора, которые расположены в каждой из шести вершин шестиугольной правильной структуры, если смотреть сверху, способна вращаться вокруг соответствующей оси, параллельной оси ротора, которая расположена в каждой вершине правильной шестиугольной структуры, так чтобы закрывать вход ветра к ротору между упомянутой направляющей лопастью и соседней шарнирно закрепленной направляющей лопастью, если упомянутые шарнирно закрепленные направляющие лопасти расположены на стороне входа ветра или рядом с выходом ветра из ротора между упомянутой шарнирно закрепленной направляющей лопастью и соседней лопастью, если упомянутые шарнирно закрепленные направляющие лопасти расположены на стороне, противоположной стороне входа ветра.
Упомянутая вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием потока отличается тем, что когда подвижные части каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей шестиугольной системы поворачиваются так, чтобы закрывать впуск или выпуск воздуха в или из ротора между шестью шарнирно закрепленными направляющими лопастями, при этом средняя линия кривизны подвижных частей каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей образует окружность радиуса R, если смотреть сверху (если описывать между шестью вершинами шестиугольника).
Средняя линия кривизны подвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти равна дуге, проходящей через середину неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти, и продолжается до центра правильной шестиугольной структуры радиуса R. Данная средняя линия кривизны равна дуге, соответствующей 1/6 окружности радиуса R, таким образом, соединение шести линий кривизны образует окружность радиуса R.
Таким образом, дуга, проходящая через середину неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти и продолжается до центра правильной шестиугольной структуры радиуса R, также равна дуге, соответствующей 1/6 окружности радиуса R.
Посредством регулирования размера неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти в зависимости от размера ротора осуществляется повышение или понижение скорости ротора для потока, равного налетающему ветру, то есть чем меньше неподвижная часть и чем больше размер ротора, тем ниже скорость вращения ротора, и соответственно чем больше размер неподвижной части и чем меньше размер ротора, тем выше скорость вращения ротора.
Поскольку подвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей имеет профиль, аэродинамически выполненный в форме самолетного крыла, она содержит так называемую верхнюю поверхность в своей верхней части и нижнюю поверхность в нижней части.
Рассматривая такой профиль подвижной части шарнирно закрепленных направляющих лопастей как самолетное крыло, она содержит верхний выпуклый участок на верхней поверхности и нижний вогнутый участок на нижней поверхности, разделенные средней линией кривизны, при этом выпуклый верхний участок соединен с нижним вогнутым участком посредством выпуклой полуокружности радиуса r в самой широкой части профиля, причем радиус r известен как радиус кривизны передней кромки, и образует острый угол на менее широком участке профиля, который соответствует внешнему концу подвижной части, которая известна как задняя кромка, рассматривая аэродинамический профиль.
Подвижная часть каждой лопасти имеет среднюю кривизну, равную 1/6 окружности радиуса R.
Неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей имеет профиль, который продолжает выпуклую зону верхней поверхности подвижной части и вогнутую зону нижней поверхности подвижной части в нижней зоне, причем в конечном участке неподвижной части рядом с ротором кривизна изменяет траекторию и направление, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности радиуса Rt., образованной посредством вращения лопаток ротора. Изменение кривизны превращает выпуклость верхней части в вогнутость и таким же образом вогнутость нижней части превращается в выпуклость.
Верхняя выпуклая зона соединяется с вогнутой нижней зоной стороны подвижной части на неподвижной части шарнирно закрепленной направляющей лопасти посредством вогнутой полуокружности радиуса r', где r'>r вследствие упомянутого изменения кривизны, верхняя вогнутая зона соединяется с нижней выпуклой зоной на стороне ротора посредством вогнутой полуокружности радиуса Rt', где Rt'>Rt.
Вогнутость полуокружности радиуса r' на стороне подвижной части позволяет, поскольку r'>r, подвижной части вращаться вокруг соответствующей оси, параллельной оси ротора, которая расположена в одной из шести вершин шестиугольной правильной структуры, так что не возникает никакого трения между вогнутой и выпуклой круглыми стенками, образованными полуокружностями с радиусами r' и r.
Центр вогнутой полуокружности радиуса r' и центр выпуклой полуокружности радиуса r совпадают.
Вогнутость полуокружности радиуса Rt' неподвижной части стороны ротора, если Rt'>Rt, делает возможным то, что лопатки ротора, образующие окружность радиуса Rt, при вращении не соприкасаются с вогнутыми круглыми стенками неподвижной части на стороне ротора.
Центр полуокружности радиуса Rt' и центр полуокружности радиуса Rt совпадают с центром правильной шестиугольной структуры радиуса R.
Предпочтительно, шестиугольная система выполнена в форме параллелепипеда без стенок, соединенного трубами, профилями или пластинами, расположенными на краях, чтобы не иметь боковых стенок, препятствующих входу или выходу воздуха при необходимости.
Трубы, профили или пластины, которые образуют правильную шестиугольную структуру в форме параллелепипеда радиуса R, могут быть выполнены из металла или любого другого материала, который обеспечивает требования к изделию в зависимости от его размеров.
К числу предпочтительных материалов относятся металлы, пластмассы, дерево или любой материал, используемый в строительстве, и их сочетания.
Те же самые материалы могут быть использованы в сочетании для изготовления ротора и шарнирно закрепленных направляющих лопастей.
Ротор вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием потока содержит три лопатки, которые образуют три изолированные и отдельные зоны, связанные друг с другом, причем упомянутые лопатки содержат вертикальные пластины слоистой конфигурации, ориентированные в упомянутом направлении вращения ротора, чтобы использовать налетающий ветер в любом направлении.
Для того чтобы изменять открытие или закрытие подвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти, ветровая турбина, описанная в данном документе, содержит электрическое, механическое, гидравлическое или пневматическое средство, обеспечивающее закрытие ее подвижной части, с возможностью использования в случае наличия сильных ветров, которые способны разрушить целостность конструкции.
Такое электрическое, механическое, гидравлическое или пневматическое средство обеспечивает закрытие подвижной части и выполнено с возможностью автоматического приведения в действие, когда ветер превышает заданную скорость, которая определяется посредством анемометра, содержащегося в конструкции.
Для того чтобы защитить целостность вертикально-осевой ветровой турбины с регулированием потока, упомянутая турбина содержит средство подъема и опускания, так что она может быть спрятана под землей в случае возникновения ураганов или торнадо.
Система может быть выключена в течение очень короткого времени, позволяющего спрятать ее под землю в случае возникновения ураганов или торнадо.
В этом случае энергия ветра, по существу кинетическая энергия движущегося воздуха, обеспечивает механическую энергию для ротора, который посредством системы механического привода вращает ротор генератора, обычно трехфазного генератора переменного тока, который преобразует механическую энергию вращения, в электрическую энергию.
Ветровой генератор, описанный в данном документе, имеет некоторые технические особенности, которые позволяют использовать ветер с любого направления для генерирования энергии, в частности электроэнергии, и благодаря его простой установке и конфигурации, он является идеальным для домашнего использовании или любого другого использования.
Лопатки ротора имеют слоистую конфигурацию, в вертикальном положении и с изогнутым профилем в виде сверху, причем упомянутый изогнутый профиль расположен в направлении вращения, чтобы использовать ветер, приходящий с любого направления, обусловленном шарнирно закрепленной направляющей лопастью.
Данный ветровой генератор имеет преимущество в том, что отсутствует необходимость размещать его так, чтобы центральная ось вращения совпадала с направлением ветра, а ветер перемещает лопатки ротора, поскольку любой налетающий ветер принимается подвижной частью шарнирно закрепленными направляющими лопастями.
Для того чтобы предотвратить повреждения установки в случае сильного ветра или шторма, упомянутое устройство содержит механизм для закрытия подвижных лопастей таким образом, чтобы образовать окружность без поверхностей, подверженных воздействию ветра.
Несколько вертикально-осевых ветровых турбин с регулированием потока могут быть выполнены в виде блоков, которые могут быть установлены друг на друга или рядом.
Установленные друг на друга модули могут совместно использовать упомянутую ось роторов, и дополнительное преимущество в этом случае заключается в том, что если шестиугольные структуры правильно смещены, то данная конфигурация может принимать ветер, повышая свой КПД.
Для установки в сейсмических областях, вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием воздушного потока может включать в себя сейсмостойкий блок, который позволяет осуществлять соединение между вертикально-осевой ветровой турбиной с регулированием потока воздуха и землей или между несколькими вертикально-осевыми ветровыми турбинами с регулированием потока воздуха, установленными друг на друга. Данный блок содержит два колеса, соединенные шестью упругими амортизаторами удара, каждый содержащий корпус и поршень, включающий упругое, гидравлическое, пневматическое средство или, например, высокопрочную резину. Вертикально-осевая ветровая турбина с регулированием воздушного потока установлена на упомянутых кольцах.
Отличия и преимущества по сравнению с вертикально-осевыми ветровыми системами
Подвижные и неподвижные лопасти, связанные с данной системой, способны захватывать в несколько раз большую массу воздуха и передавать ее энергию посредством увеличения ее скорости, оказывая ударное воздействие непосредственно на лопатку ротора.
Для того чтобы гомогенизировать поток воздуха, давление, оказываемое на лопасть, является более равномерным, устраняя напряжения и вибрации с потерями полезной мощности, облегчая и упрощая ее конструктивное решение.
Это позволяет регулировать скорости запуска по аналогии с системой Савониуса, и в результате увеличения открытия подвижных лопастей скорость и общий КПД увеличиваются по сравнению с системой Дарье, поскольку она работает на силе сопротивления и высокой скорости, объединяя в себе преимущества обеих обычных вертикально-осевых ветровых систем.
Обобщая, можно сказать, что это прямодействующая и высокоскоростная ветровая турбина, которая обладает следующими преимуществами:
- Максимальное использование энергии ветра при передаче вектора посредством увеличения скорости ветра, непосредственно воздействующего на лопатку ротора.
- Прирост, обусловленный сужением выхода воздуха в конце неподвижной части, ближайшем к ротору, каждой из шарнирно закрепленных направляющих лопастей.
Основные преимущества по сравнению с горизонтально-осевыми ветровыми системами
- Опора на два или более участков ротора со структурой, предотвращающей вибрации и усталость материала.
- Низкий или минимальный уровень шума.
- Использование блоков, установленных друг на друга.
- Уникальный ротор со смещенными лопатками для облегченного запуска и устранения вибраций и паразитных частот.
- Генератор на уровне земли или под землей с очевидными преимуществами с точки зрения технического обслуживания. Отсутствие риска для операторов, работающих на высоте, и меньшие затраты.
- Смазочное оборудование (емкости, насосы, фильтры и др.) на уровне земли.
- Система общего модульного построения на заводе, обеспечивает быструю и безопасную сборку в областях с постоянными сильными ветрами или высоко в горах или на море, и др. и в труднодоступных областях.
- Использование обычных материалов (только полимеров и нержавеющей стали).
- Прочная и надежная конструкция с малым шумом и визуальным воздействием и неагрессивная для дикой природы и в частности птиц.
- Безопасная, поскольку лопатки ротора не могут отсоединяться, поскольку они установлены внутри оборудования, защищенного неподвижными лопастями, обеспечивая возможность использования в городских районах (на зданиях, башнях и др.).
- Это единственное оборудование, которое может быть рассчитано на разные высоты и длину лопасти.
- Благодаря структуре с шестиугольным основанием, ширина лопасти плюс ширина неподвижной лопасти равна ширине подвижной лопасти, при этом можно выбирать данные параметры в соответствии с наилучшей аэродинамикой.
- Пригодна для морского и речного использования на платформах, кораблях, буях и др.
- Разнонаправленная, полностью автоматическая, использующая ветер даже при наличии турбулентностей.
- Простая система торможения без износа или трения, просто закрывающиеся подвижные лопасти (см. вид сверху системы закрытия).
- Широкий диапазон скоростей ветра от минимум 3 км/час до 70 км/час.
- При получении неблагоприятного метеорологического предупреждения, система может быть полностью закрыта и выключена; повторный запуск мгновенный.
- Единственное ветровое оборудование, приспособленное для использования в зонах ураганных ветров, поскольку оно может быть установлено полностью под землей.
- Половина ожидаемого срока службы и низкая стоимость монтажа и технического обслуживания значительно превосходят любое существующее в настоящее время ветровое оборудование, позволяя использовать его в финансовых планах, связанных с его эксплуатацией, посредством выпуска экологических и/или энергетических обязательств.
- Обеспечивает возможность доступного страхования.
Когда ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока настоящего изобретения работает в гидравлическом режиме, в дальнейшем она будет называться «вертикально-осевой гидравлической турбиной с регулированием потока».
Данная вертикально-осевая гидравлическая турбина с регулированием потока жидкости принимает на лопатках ротора мощный и гомогенизированный поток текучей среды вдоль всей своей длины, предусматривающая регулируемое открытие шарнирно закрепленной направляющей лопасти посредством подвижных лопастей, которые регулируют вход жидкости, которая приходит в любом направлении, и соответствующих неподвижных лопастей, которые концентрируют поток текучей среды на лопатках ротора с более высокой скоростью и равномерно.
Вертикально-осевая гидравлическая турбина с регулированием потока содержит шестиугольную правильную структуру радиуса R, в форме параллелепипеда, внутри которой ротор с тремя лопатками вращается вокруг вертикальной оси, которая расположена в центре шестиугольника, если смотреть сверху, при этом упомянутые лопатки имеют форму акульих плавников и при вращении образуют окружность радиуса Rt, причем упомянутая турбина дополнительно содержит шарнирно закрепленные направляющие лопасти, которые захватывают и концентрируют поток жидкости, входящей в лопатки ротора, из потока на стороне входа потока жидкости в турбину, и рассеивают поток жидкости, сходящей с лопаток ротора, со стороны, противоположной потоку на стороне входа жидкости в турбину.
Вертикально-осевая гидравлическая турбина с регулированием потока содержит шесть шарнирно закрепленных направляющих лопастей, которые содержат неподвижную часть, включенную в правильную шестиугольную структуру, и другую подвижную часть, которая является дугообразной на ее внешних стенках и выполнена с возможностью вращения вокруг осей, параллельных оси ротора, которые расположены в каждой из шести вершин. шестиугольной правильной структуры, если смотреть сверху.
Неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит усилитель вертикальной гидравлической турбины для использования набегающего потока текучей среды; причем упомянутая неподвижная часть каждой лопасти содержит дуги, которые продолжают кривизну подвижной части упомянутых лопастей в участке около подвижной части. Упомянутая неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит усилитель вертикальной ветровой турбины для использования набегающего воздушного потока; причем упомянутая неподвижная часть каждой лопасти содержит дуги, которые продолжают кривизну подвижной части упомянутых лопастей на ее стороне, ближайшей к подвижной части, чтобы затем изменять траекторию и направление ее кривизны около конечного участка по отношению к ротору.
Данное изменение траектории и направления ее кривизны обеспечивает более высокий КПД, когда текучая среда (воздух) входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора.
Неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит профиль, который продолжает выпуклую зону верхней поверхности подвижной части и вогнутую зону нижней поверхности подвижной части в нижней зоне, при этом в конечном участке неподвижной части рядом с ротором, кривизна изменяет траекторию и направление, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности радиуса Rt, образованной посредством вращения лопаток ротора, позволяя, благодаря данному изменению кривизны, захватывать набегающую текучую среду, которая загоняется в пространство между неподвижными лопастями, которое сужается в направлении оси, так что поток текучей среды ускоряется вблизи ротора, который приобретает энергию для вырабатывания электроэнергии.
Неподвижная часть шарнирно закрепленной направляющей лопасти на той стороне, где жидкость входит в систему, функционирует как концентраторы воздушного потока на лопатках ротора, а шарнирно закрепленная направляющая лопасть, расположенная на той стороне, где воздушный поток выходит из системы, функционирует как рассеиватели потока жидкости, который вынуждал лопатку ротора вращаться.
Каждая из подвижных частей шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей, дугообразных на их внешних стенках, содержат вертикальные пластины слоистой конфигурации, ориентированные в упомянутом направлении вращения ротора, чтобы использовать налетающий поток текучей среды в любом направлении.
Неподвижные части каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей также содержат вертикальные пластины со слоистой конфигурацией.
Каждая подвижная часть каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей, расположенных на осях, параллельных оси ротора, которые расположены в каждой из шести вершин шестиугольной правильной структуры, если смотреть сверху, способна вращаться вокруг оси, параллельной соответствующей оси ротора, которая расположена в каждой вершине правильной шестиугольной структуры, чтобы закрывать вход текучей среды к ротору между упомянутой шарнирно закрепленной направляющей лопастью и соседней лопастью, если упомянутые шарнирно закрепленные направляющие лопасти расположены на стороне входа текучей среды или около выхода текучей среды из ротора между упомянутой шарнирно закрепленной направляющей лопастью и соседней лопастью, если упомянутые шарнирно закрепленные направляющие лопасти расположены на стороне, противоположной стороне входа жидкости.
Упомянутая вертикально-осевая гидравлическая турбина с регулированием потока отличается тем, что когда подвижные части каждой из соответствующих шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей шестиугольной системы поворачиваются так, чтобы закрывать вход и выход текучей среды в и из ротора между ними, средняя линия кривизны подвижных частей каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей образует окружность радиуса R, если смотреть сверху (если описывать между шестью вершинами шестиугольника).
Средняя линия кривизны подвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти равна дуге, проходящей через середину неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти, и продолжается до центра правильной шестиугольной структуры радиуса R. Данная средняя линия кривизны равна дуге, соответствующей 1/6 окружности радиуса R. Таким образом дуга, проходящая через середину неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти и продолжающаяся до центра правильной шестиугольной структуры радиуса R, также равна дуге, соответствующей 1/6 окружности радиуса R.
Посредством регулирования размера неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти в зависимости от размера ротора осуществляется повышение или понижение скорости ротора для потока, равного налетающей текучей среде, то есть чем меньше неподвижная часть и чем больше размер ротора, тем ниже скорость вращения ротора, и соответственно чем больше размер неподвижной части и чем меньше размер ротора, тем выше скорость вращения ротора.
Вообще говоря, для гидравлической турбины данного типа целесообразно использование меньших неподвижных частей шарнирно закрепленной направляющей лопасти и больших диаметров ротора, при этом упомянутая неподвижная часть каждой лопасти содержит дуги, которые продолжают кривизну подвижной части упомянутых лопастей на участке, ближайшем к подвижной части, чтобы затем изменять траекторию и направление своей кривизны на конечном участке около ротора.
Поскольку подвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит профиль, аэродинамически выполненный, в форме самолетного крыла, упомянутый профиль содержит так называемую верхнюю поверхность в своей верхней части и нижнюю поверхность в нижней части.
Рассматривая такой профиль подвижной части шарнирно закрепленных направляющих лопастей как самолетное крыло, она содержит верхний выпуклый участок на верхней поверхности и нижний вогнутый участок на нижней поверхности, разделенные средней линией кривизны, при этом выпуклый верхний участок, соединен с нижним вогнутым участком посредством выпуклой полуокружности радиуса r в самом широком участке профиля, причем радиус r известен как радиус кривизны передней кромки, и образующий острый угол на менее широком участке профиля, который соответствует внешнему концу подвижной части, который известен как задняя кромка, рассматривая аэродинамический профиль.
Подвижная часть каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти содержит среднюю линию кривизны, равную 1/6 окружности радиуса R, таким образом при соединении шести линий кривизны получается окружность радиуса R.
Неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит профиль, который продолжает выпуклую зону верхней поверхности подвижной части и вогнутую зону нижней поверхности подвижной части в нижней зоне, при этом в конечном участке неподвижной части рядом с ротором, кривизна изменяет траекторию и направление, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности радиуса КЬ, полученной посредством вращения лопаток ротора, позволяя, благодаря данному изменению кривизны, захватывать набегающую текучую среду, которая загоняется в пространство между двумя неподвижными лопастями, которое сужается в направлении оси, так что поток текучей среды ускоряется вблизи ротора, который приобретает энергию для вырабатывания электроэнергии.
Неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей в участке, ближайшем к подвижной части, содержит профиль, который продолжает верхнюю поверхность выпуклой зоны подвижной части в верхнем участке, и продолжает вогнутый участок нижней поверхности подвижной части в нижнем участке, при этом в конечном участке неподвижной части рядом ротором кривизна изменяет траекторию и направление, в результате чего верхняя выпуклая зона превращается в вогнутую зону, а нижняя вогнутая зона превращается в выпуклую зону на упомянутой неподвижной части, таким образом, верхняя выпуклая зона соединяется с нижней вогнутой зоной со стороны подвижной части посредством вогнутой полуокружности радиуса r', где r'>r, а верхняя вогнутая зона соединяется в нижней выпуклой зоной со стороны ротора посредством вогнутой полуокружности радиуса Rt', при этом Rt'>Rt (где Rt - радиус окружности, образованной лопатками ротора).
Вогнутость полуокружности радиуса r' со стороны подвижной части при r'>r позволяет подвижной части вращаться вокруг соответствующей оси, параллельной оси ротора, которая расположена в одной из шести вершин шестиугольной правильной структуры, так что не возникает никакого трения между вогнутыми и выпуклыми круглыми стенками, образуемыми полуокружностями радиусов r' и r.
Центр вогнутой полуокружности радиуса r' и центр выпуклой полуокружности радиуса r совпадают.
Вогнутость полуокружности радиуса Rt' неподвижной части со стороны ротора при Rt'>Rt позволяет лопаткам ротора, которые образуют окружность радиуса Rt, при вращении не соприкасаться с вогнутыми круглыми стенками неподвижной части со стороны ротора.
Центр полуокружности радиуса Rt' и центр полуокружности радиуса Rt совпадают с центром правильной шестиугольной структуры радиуса R.
Предпочтительно, шестиугольная система в форме параллелепипеда без стенок, соединенная трубами, профилями или пластинами, расположенными на краях так, чтобы не иметь боковых стенок, чтобы не препятствовать входу и выходу воздуха при необходимости.
Трубы, профили или пластины, которые образуют правильную шестиугольную структуру в форме параллелепипеда с радиусом R, могут быть выполнены из металла или любого другого материала, который обеспечивает требования к изделию в зависимости от его размеров.
К числу предпочтительных материалов относятся металлы, пластмассы, дерево или любой материал, используемый в строительстве, и их сочетания.
Те же самые материалы могут быть использованы в сочетании для изготовления ротора и шарнирно закрепленных направляющих лопастей.
Ротор вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока представляет собой полый ротор с более чем тремя лопатками, причем упомянутые лопатки выполнены в форме акульих плавников и содержит ось большого размера по сравнению с его лопатками, при этом могут быть использованы полые роторы с шестью лопатками, которые образуют одинаковое количество независимых и отдельных участков, соединенных друг с другом, причем лопатки, которые содержат данные участки, состоят из вертикальных пластин слоистой конфигурации, ориентированные в упомянутом направлении вращения ротора, чтобы использовать налетающую текучую среду в любом направлении.
Лопатки ротора, выполненные в форме акульих плавников, имеют треугольную форму, причем стороны треугольника, не прикрепленные к ротору, содержат выпуклые и вогнутые изгибы соответственно, так что вода приводит в движение ротор на вогнутой стороне лопатки, а избыток текучей среды проходит над выпуклым участком, оказывая ударное действие на вогнутый участок соседней лопатки (см. фиг. 5')·
При необходимости и в соответствии с потоком текучей среды, существующим в месте установки гидравлической турбины, ось ротора может быть увеличена так, чтобы включать в себя большее количество лопаток для улучшенного регулирования потока.
В соответствии с теоремой Гельмгольца предпочтительно использовать полые роторы, чтобы избежать потерь кинетической энергии налетающей текучей среды в гидравлической турбине настоящего изобретения.
Для того чтобы изменять открытие и закрытие подвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти, гидравлическая турбина, описанная в данном документе, содержит электрическое изолированное, механическое, гидравлическое или пневматическое средство, обеспечивающее закрытие ее подвижной части, с возможностью использования в случае мощных потоков жидкости, которые могут повредить конструкцию.
Такое электрическое изолированное, механическое, гидравлическое или пневматическое средство обеспечивает закрытие подвижной части и может быть приведено в действие автоматически, когда поток текучей среды превышает некоторую скорость, которая определяется посредством измерителя скорости, чтобы определять скорость потока, содержащегося в конструкции.
Для того защитить целостность вертикально-осевой гидравлической турбины с регулированием потока, упомянутая турбина содержит средство подъема и опускания, так что она может быть поднята выше уровня жидкости в том случае, если течение имеет такую скорость, что может повредить гидравлическую турбину.
Система может быть выключена в течение очень короткого времени, при этом упомянутая система может быть быстро поднята выше уровня жидкости.
В этом случае гидравлическая энергия, по существу кинетическая энергия движущейся текучей среды, обеспечивает механическую энергию для ротора, который, посредством системы механического привода вращает ротор генератора, обычно трехфазного генератора переменного тока, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию.
Гидравлический генератор, описанный в данном документе, обладает некоторыми техническими особенностями, которые могут быть приспособлены для использования преимущества потока жидкости с любого направления, при установке в течении реки или океана, чтобы получать энергию, в частности электроэнергию, и благодаря его простой установке и конфигурации, является идеальным для использования при всех размерах.
Лопатки ротора имеют слоистую конфигурацию в вертикальном положении и изогнутый профиль в виде сверху, наподобие акульего плавника, при этом упомянутый изогнутый профиль ориентирован в упомянутом направлении вращения, чтобы использовать жидкость, налетающую в любом направлении, обусловленном шарнирно закрепленной направляющей лопастью.
Данный гидравлический генератор имеет преимущество в том, что нет необходимости размещать его так, чтобы центральная ось вращения совпадала с направлением падения жидкости, и любое направление падающей жидкости перемещает лопатки ротора, выполненные в форме акульих плавников, поскольку любая падающая жидкость захватывается подвижной частью шарнирно закрепленных направляющих лопастей.
Для того чтобы предотвратить повреждение установки в случае очень мощных потоков жидкости, предполагается, что упомянутое устройство содержит механизм, посредством которого подвижные лопасти закрываются так, чтобы образовать окружность без поверхностей, подверженных воздействию течений жидкости.
Несколько вертикально-осевых турбин с регулированием потока могут быть выполнены в форме блоков, которые могут быть установлены друг на друга на плавающей конструкции наподобие острова или рядом на дне реки или океана.
Установленные друг на друга блоки совместно использовать упомянутую ось роторов, когда они установлены, например, на искусственных островах, и дополнительное преимущество в данном случае заключается в том, что если шестиугольные структуры правильно смещены, то данная конфигурация может принимать поток текучей среды, повышая свой КПД.
Предпочтительно, конструкция в форме башни поддерживает шестиугольный корпус; причем упомянутая башня приспособлена только для удерживания турбины подвешенной и предотвращает повреждение лопаток ротора. Предпочтительно, башня может быть установлена на механизме, способном изменять направление, чтобы оптимизировать мощность и приспосабливаться к приливно-отливному течению. Башенная конструкция позволяет гидравлической турбине достигать разных глубин приливно-отливного течения, так что захват энергии максимизирует выходную мощность. Данная конструкция приспособлена для соответствия требованиям разных рек или морей, в которых установлена гидравлическая турбина.
Например, она может быть высокой и тонкой, когда она установлена на глубине судоходства в дельте реки, или низкой и широкой, когда она установлена в мелководном участке реки, который не является судоходным. Средства для генерирования энергии расположены над и под водонапорной башней, для того чтобы быть легко достижимыми для технического обслуживания и ремонта. Учитывая, что средства для генерирования энергии расположены над водой, система представляет малый риск для судоходства.
Башня может быть закреплена на дне реки или океана посредством бетонных блоков или в мелководных реках или дельтах или посредством одиночной сваи или треножной конструкции в глубокой воде.
Предпочтительно, башня может образовать одну из опор причала или понтона, заякоренную или, как вариант, подвешенную на глубине с плавучей платформы.
Башня, предпочтительно, имеет симметричную форму и функционирует в двух направлениях, обеспечивая захват энергии в обоих направлениях (поднимаясь и опускаясь на приливно-отливных течениях) при размещении в приливно-отливном потоке.
Гидравлическая турбина, описанная в данном документе, может удерживаться посредством заякоренной плавучей платформы, которая может изменять глубину оборудования по отношению к соответствующим течениям.
В предпочтительном варианте осуществления, в гидравлической турбине настоящего изобретения генератор находится за пределами воды, для того чтобы иметь преимущества с точки зрения изоляции и технического обслуживания.
Предпочтительно, в гидравлической турбине в соответствии с данным раскрытием, ротор полый, чтобы предотвратить потери кинетической энергии текучей среды, падающей на него.
В центре вихря существуют только паразитные усилия на движущиеся текучие среды, либо газы либо жидкости; следствие из теоремы Гельмгольца гласит: «в идеальной текучей среде в центре завихрения отсутствуют потери энергии; поэтому данная энергия не может быть получена для использования». Отсюда следует, что использование полого ротора оказывается более удобным для описанной гидравлической турбины.
Аналогично в случае воды или жидкостей, более вязких, чем воздух, в которых получается низкая частота вращения, предпочтительны роторы с множеством пластин.
Предпочтительно использовать роторы с более чем 3 лопатками, например, с 6, 10 или 12 лопатками.
Отличия и преимущества по сравнению с вертикально-осевыми гидравлическими системами
Соединенные подвижные и неподвижные лопасти данного оборудования способны захватывать в несколько раз большую массу жидкости и передавать ее энергию посредством увеличения ее скорости, оказывая ударное воздействие непосредственно на лопатки ротора.
Благодаря гомогенизации потока текучей среды, давление, оказываемое на лопатки, становится более равномерным, предотвращая напряжения и вибрацию с потерями полезной мощности и облегчая и упрощая ее конструктивное исполнение.
Это позволяет регулировать скорость запуска подобно системе Савониуса, и посредством увеличения открытия движущихся лопастей увеличивается скорость и общий КПД по сравнению с системой Дарье, поскольку она работает на силе сопротивления и высокой скорости, объединяя в себе преимущества обычных вертикально-осевых гидравлических систем.
В итоге можно сказать, что это гидравлическая турбина прямого действия, которая имеет следующие преимущества:
- Максимальное использование энергии воды, поскольку она передает вектор посредством увеличения скорости жидкости, оказывающей ударное воздействие непосредственно на лопатки ротора.
- Прирост благодаря сужению выхода текучей среды в конце неподвижной части, ближайшем к ротору, каждой из шарнирно закрепленных направляющих лопастей.
Основные преимущества по сравнению с горизонтально-осевым гидравлическим оборудованием
- Опора на два или более участка ротора со структурой, предотвращающей вибрации и усталость материала.
- Низкий или минимальный уровень шума.
- Использование блоков, установленных друг на друга.
- Уникальный ротор со смещенными лопатками для облегченного запуска и устранения вибраций и паразитных частот.
- Генератор, который может быть поднят над уровнем жидкости, с очевидными преимуществами с точки зрения технического обслуживания. Отсутствие риска для операторов, работающих под водой, и меньшие затраты.
- Смазочное оборудование (емкости, насосы, фильтры и др.).
- Система общего модульного построения на заводе, обеспечивает быструю и безопасную сборку в постоянных гидравлических течениях или в реках или в открытом море, и др. и в труднодоступных областях.
- Использование обычных материалов (только полимеров и нержавеющей стали).
- Прочная и надежная конструкция с малым шумом и визуальным воздействием.
- Безопасная, поскольку лопатки ротора не могут отсоединяться, поскольку они установлены внутри оборудования, защищенного неподвижными лопастями, обеспечивая возможность использование в океанах и реках.
- Это единственное оборудование, которое может быть рассчитано на разные высоты и длину лопасти в соответствии с гидравлическими течениями, существующими на месте установки.
- Упомянутая структура с шестиугольным основанием, ширина лопасти плюс ширина неподвижной лопасти равна ширине подвижной лопасти, позволяет выбирать данные параметры в соответствии с наилучшей гидродинамикой.
- Приспособлена для морского и речного использования на платформах, кораблях, буях и др.
- Разнонаправленная, полностью автоматическая, использующая гидравлические ресурсы даже в условиях турбулентностей.
- Простая система торможения без износа или трения, просто закрывающиеся подвижные лопасти (см. вид сверху системы закрытия).
- После получения неблагоприятного метеорологического предупреждения, система может быть полностью закрыта и выключается; повторный запуск мгновенный.
- Половина ожидаемого срока службы и низкая стоимость монтажа и технического обслуживания значительно превосходят любое существующее в настоящее время гидравлическое оборудование, позволяя использовать его в финансовых планах, связанных с его эксплуатацией, посредством выпуска экологических и/или энергетических обязательств.
- Обеспечивает возможность доступного страхования.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Ветряная регулируемая установка с вертикальной осью вращения | 2018 |
|
RU2688095C1 |
| ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ВЕТРОСИЛОВАЯ ТУРБИНА | 2010 |
|
RU2539945C2 |
| Крыльчатый двигатель | 2020 |
|
RU2743564C1 |
| ВЕТРОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РОТОРОМ | 2004 |
|
RU2358148C2 |
| ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА | 2005 |
|
RU2386854C2 |
| ВЕТРОСОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА | 2022 |
|
RU2802563C1 |
| ВЕТРОСОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА | 2022 |
|
RU2802564C1 |
| ВЕТРОСТАНЦИЯ НА ОСНОВЕ ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ | 2019 |
|
RU2738294C1 |
| ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА | 2010 |
|
RU2531478C2 |
| ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ | 2013 |
|
RU2550993C2 |
Изобретение относится к вертикально-осевой ветровой и гидравлической турбине с регулированием потока ветра или жидкости. Турбина содержит правильную шестиугольную структуру (7) радиуса R, в форме параллелепипеда, внутри которой ротор (6) с тремя или более лопатками вращается на вертикальной оси. Ось расположена в центре шестиугольника. Лопатки при вращении образуют окружность радиуса Rt. Турбина дополнительно содержит шесть шарнирно закрепленных направляющих лопастей с подвижной и неподвижной частями 2 и 3. Лопасти захватывают и концентрируют поток воздуха или жидкости, входящий в лопатки ротора (6), со стороны входа потока в турбину, и рассеивают поток, выходящий из лопаток ротора (6), со стороны, противоположной стороне входа потока воздуха или жидкости. Изобретение направлено на повышение скорости и КПД турбины. 17 з.п. ф-лы, 16 ил.
1. Вертикально-осевая ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока, содержащая:
- правильную шестиугольную структуру радиуса R, в форме параллелепипеда,
- ротор, размещенный внутри правильной шестиугольной структуры и обеспечивающий впуск или выпуск воздуха или жидкости и содержащий три или более лопаток, вращающихся на вертикальной оси ротора, которая расположена в центре правильной шестиугольной структуры, если смотреть сверху,
причем упомянутые три или более лопаток при вращении образуют окружность радиуса Rt, причем производится впуск воздуха или жидкости на лопасти ротора со стороны входа и выпуск со стороны выхода, противоположной стороне входа, и
шесть шарнирно закрепленных направляющих лопастей, которые захватывают и концентрируют поток воздуха или жидкости, поступающий на лопатки ротора, со стороны входа потока ветра или жидкости в турбину, и рассеивают поток воздуха или жидкости, сходящий с лопаток ротора, на стороне, противоположной стороне входа ветра или жидкости в турбину, причем
каждая из шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит неподвижную часть и подвижную часть, подвижную между открытым и закрытым положениями,
каждая из неподвижных частей содержит первый внутренний конец, расположенный вблизи окружности радиуса Rt, полученной в результате вращения трех или более лопаток ротора, причем первый внутренний конец каждой неподвижной части имеет искривленную поверхность, проходящую вдоль окружности третьего радиуса Rt', причем окружность третьего радиуса Rt' расположена вблизи окружности второго радиуса Rt,
каждая неподвижная часть содержит второй наружный конец, расположенный вблизи верхней точки правильной шестиугольной структуры, расположенной на окружности первого радиуса R правильной шестиугольной структуры, причем второй наружный конец каждой неподвижной части имеет искривленную концевую поверхность четвертого радиуса r',
каждая подвижная часть содержит первый внутренний конец, шарнирно закрепленный на поворотной оси, расположенной на одной из вершин правильной шестиугольной структуры и параллельно оси ротора, причем первый внутренний конец каждой подвижной части содержит переднюю кромку, образованную выпуклой полуокружностью с радиусом кривизны r, соответствующим четвертому радиусу кривизны r' искривленной концевой поверхности второго наружного конца каждой неподвижной части,
в открытом положении каждой подвижной части передняя кромка каждой подвижной части выступает вдоль и вблизи искривленной концевой поверхности второго наружного конца соответствующей неподвижной части,
каждая подвижная часть содержит второй наружный конец, определяющий заднюю кромку каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти и среднюю линию искривления (LCM), проходящую от первого внутреннего конца, через поворотную ось, к задней кромке.
2. Турбина по п. 2, в которой каждая из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит вертикальные пластины слоистой конфигурации, ориентированные в упомянутом направлении вращения ротора, чтобы использовать поток ветра или жидкости, поступающий с любого направления.
3. Турбина по п. 2, в которой каждая подвижная часть каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей, расположенных на осях, параллельных оси ротора, которые расположены в каждой из шести вершин шестиугольной правильной структуры, выполнена с возможностью вращения вокруг соответствующей оси, чтобы закрывать вход ветра или жидкости в ротор между упомянутой шарнирно закрепленной направляющей лопастью и соседней шарнирно закрепленной направляющей лопастью, если упомянутые шарнирно закрепленные направляющие лопасти расположены на стороне входа ветра или жидкости в турбину, или закрывать выход ветра или жидкости из ротора между упомянутой шарнирно закрепленной направляющей лопастью и соседней шарнирно закрепленной направляющей лопастью, если упомянутые шарнирно закрепленные направляющие лопасти расположены на стороне, противоположной стороне входа ветра или жидкости в турбину.
4. Турбина по п. 3, в которой, когда подвижные части каждой из соответствующих шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей находятся в закрытом положении, средняя линия кривизны подвижных частей каждой из шести шарнирно закрепленных направляющих лопастей образует окружность радиуса R, если смотреть сверху.
5. Турбина по п. 1, в которой подвижная часть каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти содержит среднюю линию кривизны, которая равна 1/6 окружности радиуса R.
6. Турбина по п. 1, в которой средняя линия кривизны подвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти равна дуге, проходящей через середину неподвижной части каждой шарнирно закрепленной направляющей лопасти и продолжается до центра правильной шестиугольной структуры радиуса R.
7. Турбина по п. 1, в которой
подвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит профиль, выполненный в аэродинамической форме самолетного крыла,
каждая подвижная часть имеет профиль, который содержит верхний выпуклый участок на верхней поверхности и нижний вогнутый участок на нижней поверхности, верхняя выпуклая зона соединена с нижней вогнутой зоной через переднюю кромку в самом широком участке профиля и образует острый угол в менее широкой части профиля, которая соответствует наружному концу подвижной части.
8. Турбина по п. 7, в которой
неподвижная часть шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит верхнюю зону и нижнюю зону и изгиб с профилем, который продолжает выпуклую зону верхней поверхности подвижной части в верхней зоне и продолжает вогнутую зону нижней поверхности подвижной части в нижней зоне, причем
в первом внутреннем конце неподвижной части рядом с ротором кривизна изменяет траекторию и направление, чтобы повысить КПД, когда текучая среда входит по касательной к окружности с радиусом, образованным посредством вращения лопаток ротора, причем выпуклая зона соединяется с вогнутой зоной на стороне подвижной части передней кромкой с вогнутой полуокружностью с радиусом кривизны гr, причем четвертый радиус кривизны r' превышает радиус кривизны r, и
верхняя зона соединяется с нижней зоной неподвижной части на первом внутреннем конце через искривленную поверхность выступающую вдоль окружности с третьим радиусом Rt', причем окружность с третьим радиусом Rt' больше окружности со вторым радиусом Rt, образованной посредством вращения трех или более лопаток ротора.
9. Турбина по п. 1, выполненная с возможностью работы в ветровом режиме, причем указанные три или более лопатки ротора образуют три независимых и отдельных участка, соединенных друг с другом, когда турбина работает в ветровом режиме.
10. Турбина по п. 1, выполненная с возможностью работы в гидравлическом режиме с шестью или более роторными лопатками.
11. Турбина по п. 10, в которой ротор содержит десять или более роторных лопаток.
12. Турбина по п. 10, в которой ротор содержит двенадцать или более роторных лопаток.
13. Турбина по п. 1, в которой каждая лопатка упомянутого ротора содержит вертикальную пластину слоистой конфигурации, ориентированную в упомянутом направлении вращения ротора, чтобы использовать ветер или жидкость, поступающие в любом направлении.
14. Турбина по п. 1, в которой упомянутая правильная шестиугольная структура радиуса R, выполненная в форме параллелепипеда, образована с использованием труб, профилей или пластин.
15. Турбина по п. 14, в которой трубы, профили и пластины выполнены из металла, либо пластмассы, либо дерева.
16. Турбина по п. 1, в которой лопатки ротора и шарнирно закрепленные направляющие лопасти выполнены из металла, либо из дерева или из пластмассы.
17. Турбина по п. 10, в которой ротор выполнен полым.
18. Турбина по п. 17, выполненная для работы в гидравлическом режиме, в которой упомянутый полый ротор содержит лопатки в форме акульих плавников.
| JP 2002322975 A, 08.11.2002 | |||
| KR 20110136262 A, 21.12.2011 | |||
| US 5664418 A, 09.09.1997 | |||
| Пломбировальные щипцы | 1923 |
|
SU2006A1 |
| Изложница с суживающимся книзу сечением и с вертикально перемещающимся днищем | 1924 |
|
SU2012A1 |
| Способ приготовления лака | 1924 |
|
SU2011A1 |
| Способ очистки технического пирамидона | 1947 |
|
SU69579A1 |
| JP 2005333744 A, 02.12.2005 | |||
| US 2010254799 A1, 07.10.2010 | |||
| 0 |
|
SU204481A1 | |
| ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ЛОПАСТЯМИ "БАНАН", СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВЕТРОТУРБИНЫ | 2004 |
|
RU2267647C1 |
