ЛОПАСТНОЕ УСТРОЙСТВО ТУРБИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F03D7/02 F03D1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления изобретения относятся к лопастным устройствам, предназначенным для применения в турбинах, и к турбинам, в которых устанавливаются такие лопастные устройства.

Уровень техники

По мере того, как улучшается наше понимание и оценка опасности и нагрузки на окружающую среду, которую создает традиционное получение энергии из угля, нефти, газа и ядерных источников, возрастает потребность в альтернативных формах генерирования энергии. В последние годы одним из наиболее успешных альтернативных источников генерирования энергии является ветровая энергия. Существует множество известных устройств для использования ветровой энергии, однако, большинство из них основано на принципе применения турбины, содержащей лопасти, которые могут вращаться под действием силы ветра и, таким образом, генерировать энергию.

Эффективность генерирования электрической энергии на основе ветровой энергии зависит от коэффициента полезного действия, с которым кинетическую энергию ветра можно преобразовать в электрическую энергию, в свою очередь, зависящего от эффективности, с которой лопасти могут вращаться вокруг их оси вращения.

В соответствии с принципом работы ветровых турбин лопасти, вращающиеся под действием ветра, часто ориентированы для вращения в вертикальной плоскости относительно земли. Поэтому при каждом ходе вверх необходимо поднимать лопасть, преодолевая силу тяжести.

Кроме того, одна из известных проблем, возникающих в процессе получения энергии при помощи ветра, заключается в том, что лопастное устройство (или узел, вращающийся под действием ветра) подвергается действию сил, которые изменяются в значительной степени вследствие изменений скорости ветра. В этой связи известен способ изменения момента инерции лопастного устройства путем изменения веса устройства относительно оси вращения. Такое устройство раскрыто, например, в WO 2004/011801.Однако указанные известные устройства симметрично изменяют момент инерции относительно оси вращения. Кроме того, средства, предлагаемые для изменения момента инерции, основаны на относительно дорогостоящих конструкциях, создающих трение.

Современные турбины требуют для работы минимальной скорости ветра, обеспечивают почти линейное увеличение выходной мощности при увеличении скорости ветра и имеют максимальную установленную выходную мощность, которая после ее достижения не увеличивается при увеличении скорости ветра. Турбины развивают максимальную выходную мощность, когда скорость ветра возрастает до точки, в которой при заданной скорости ветра турбина прекращает работу для защиты от повреждения. Недостаток существующих турбин заключается в том, что диапазон скоростей ветра, при которых турбина может вырабатывать энергию, является ограниченным.

Сущность изобретения

Первый аспект изобретения обеспечивает ветровую турбину, содержащую первое вращаемое лопастное устройство и второе вращаемое лопастное устройство, выполненное с возможностью приводить во вращение первое лопастное устройства.

Предпочтительно, второе вращаемое лопастное устройство может вращаться при более низкой скорости ветра, чем первое вращаемое лопастное устройство.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство имеет множество лопастей большего диаметра, чем множество лопастей второго вращаемого лопастного устройства.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство соединено со вторым вращаемым лопастным устройством с помощью электрических средств и выполнено с возможностью приведения в действие вторым вращаемым лопастным устройством.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство соединено со вторым вращаемым лопастным устройством с помощью пневматических средств и выполнено с возможностью приведения в действие вторым вращаемым лопастным устройством.

Предпочтительно, указанные пневматические средства содержат насос, приводимый в действие вторым вращаемым лопастным устройством; и импеллер, способный приводить в действие первое вращаемое лопастное устройство; при этом насос обеспечивает накачивание текучей среды к импеллеру.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство соединено со вторым вращаемым лопастным устройством и выполнено с возможностью приведения во вращение вторым вращаемым лопастным устройством с помощью механических средств.

Предпочтительно, второе вращаемое лопастное устройство по меньшей мере частично расположено в гондоле первого вращаемого лопастного устройства.

Предпочтительно, первая и вторая вращаемые лопастные устройства поддерживаются единой конструкцией.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство и второе вращаемое лопастное устройство являются соосными.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство вращается вокруг первой оси, а второе вращаемое лопастное устройство вращается вокруг второй оси, при этом первая ось расположена выше второй оси.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство опирается на первую конструкцию; а второе вращаемое лопастное устройство опирается на вторую конструкцию.

Предпочтительно, первое вращаемое лопастное устройство содержит множество лопастей, вращаемых вокруг первой оси, и средства изменения момента инерции первого вращаемого лопастного устройства в направлении, противоположном первой оси.

Предпочтительно, ветровое турбинное устройство дополнительно содержит датчик угла поворота, предназначенный для измерения угла поворота первого вращаемого лопастного устройства, и контроллер, предназначенный для изменения момента инерции в зависимости от измеренного положения, при этом момент инерции первого вращаемого лопастного устройства зависит от угла поворота первого вращаемого лопастного устройства вокруг первой оси.

Предпочтительно, каждая лопасть первого вращаемого лопастного устройства содержит средства изменения момента инерции лопасти независимо от момента инерции других лопастей.

Предпочтительно, момент инерции лопасти уменьшается, когда поворот лопасти совершается в направлении, противоположном направлению силы тяжести, и увеличивается, когда поворот лопасти совпадает с направлением силы тяжести.

Предпочтительно, ветровое турбинное устройство расположено таким образом, чтобы продольная ось лопастей первого вращаемого лопастного устройства проходила, по существу, перпендикулярно уровню земли, при этом момент инерции увеличивается, когда лопасть поворачивается приблизительно между 7 и 180 градусами от вертикали при измерении от положения, соответствующего 12 часам часового циферблата.

Предпочтительно, средства изменения момента инерции обеспечивают одновременное изменение момента инерции всех лопастей первого вращаемого лопастного устройства.

Предпочтительно, средства изменения момента инерции обеспечивают одновременное изменение момента инерции всех лопастей первого вращаемого лопастного устройства в ответ на изменение скорости ветра.

Предпочтительно, средства изменения момента инерции содержат полость, предусмотренную в лопасти, и насос, предназначенный для перекачивания первой текучей среды из полости и в полость, чтобы изменять момент инерции соответствующей лопасти.

Предпочтительно, первая текучая среда имеет плотность, превышающую плотность воздуха. Альтернативно, первая текучая среда может иметь плотность, меньшую, чем плотность воздуха.

Предпочтительно, ветровое турбинное устройство дополнительно содержит первый резервуар для первой текучей среды, при этом насос перекачивает первую текучую среду между первым резервуаром и полостью, и при этом первый резервуар расположен ближе к первой оси, чем полость.

Предпочтительно, средства изменения момента инерции лопасти первого вращаемого лопастного устройства содержат средства изменения расстояния между лопастью и первой осью.

Предпочтительно, средства изменения расстояния между лопастью и первой осью содержат гидравлический цилиндр.

Предпочтительно, средства изменения момента инерции лопасти первого вращаемого лопастного устройства содержат ступицу, которая установлена на первой оси, соединена с лопастями первого вращаемого лопастного устройства и предназначена для вращения с указанными лопастями, при этом указанная ступица содержит средства смещения момента инерции ступицы от первой оси.

Предпочтительно, момент инерции ступицы смещается от первой оси в направлении, перпендикулярном первой оси.

Предпочтительно, смещение момента инерции ступицы создает вращающую силу для вращения первого вращаемого лопастного устройства вокруг первой оси.

Предпочтительно, указанная ступица содержит множество камер, по меньшей мере частично смещенных от первой оси, при этом инерция каждой камеры может изменяться за счет накачивания в каждую камеру и откачивания из нее второй текучей среды.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено описание примеров вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые выполнены не в масштабе и на которых показаны:

фиг. 1 - схематическое изображение лопастного устройства;

фиг. 2 - блок-схема устройства для управления моментом инерции лопасти;

фиг. 3 - схематическое изображение лопастного устройства согласно первому варианту осуществления;

фиг. 4 - вид сбоку лопасти и ступицы;

фиг. 5а - схематический вид в сечении лопасти и ступицы;

фиг. 5b - схематический вид в сечении другой ступицы;

фиг. 6 - схематический вид в разрезе импеллера;

фиг. 7 - схематическое изображение второго варианта осуществления; и

фиг. 8 - графическое изображение зависимости выходной мощности ветровых турбин от установившейся скорости ветра.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана лопастное устройство 80. Лопастное устройство 80 содержит лопасти 82, 84 и 86, предназначенные для вращения вокруг оси 88 в направлении стрелки 90. Лопасть 82 содержит крепление 82а, расположенное на осевом конце лопасти 82. Крепление 82а соединяется с гидравлическим цилиндром 82b, который, в свою очередь, соединяется с креплением 82с. Крепление 82с соединяется с осью 88, вокруг которой вращается лопасть 82. Аналогично этому лопасть 84 содержит крепление 84а, которое присоединено к гидравлическому цилиндру 84b, соединенному с креплением 84с; при этом лопасть 86 содержит крепление 86а, соединенное с гидравлическим цилиндром 86b которое, в свою очередь, соединено с креплением 86с. Оба крепления 84с и 86с соединены с осью 88.

Гидравлические цилиндры 82b, 84b и 86b предназначены для изменения расстояния между соответствующими креплениями (82а, 84а, 86а и 82с, 84с, 86с). При этом гидравлические цилиндры 82b, 84b и 86b изменяют расстояние от концов лопастей 82, 84 и 86 до оси 88. В результате этого момент инерции каждой из лопастей 82, 84 и 86 может изменяться в зависимости от положения лопасти, когда она вращается по кругу, частично описанному стрелкой 90.

Подробный процесс взаимодействия гидравлических цилиндров 82b, 84b и 86b с соответствующими креплениями 82а, 82с; 84а, 84с; и 86а, 86с не показан на фиг. 1. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что соответствующий гидравлический насосный агрегат, как и множество других известных устройств, вполне подходят для осуществления этого процесса.

Важно, что гидравлические цилиндры 82b, 84b и 86b изменяют радиальное смещение соответствующих лопастей 82, 84 и 86, когда они поворачиваются вокруг оси 88. Таким образом, как показано на фиг. 1, лопасть 82 расположена дальше от оси 88, в то время как лопасть 84 является ближайшей к оси 88. Лопасть 86 занимает промежуточное положение между положениями лопасти 82 и лопасти 84. Лопасти 82, 84 и 86 вращаются в направлении стрелки 90. Поэтому ход вверх (ход в направлении, противоположном направлению силы тяжести) для какой-либо из лопастей происходит, по существу, между положением лопасти 84 и положением лопасти 82, которые показаны на фиг. 1. Расстояние между соответствующей лопастью и осью 88 уменьшается во время хода вверх, чтобы уменьшить момент инерции лопасти.

На фиг. 2 показано устройство 200 управления моментом инерции лопастей, например, по фиг. 1. Устройство 200 содержит датчик 202 для измерения угла поворота вращаемого устройства (положение определенной лопасти в ее круговом обороте). Такой датчик может содержать, например, переменный поворотный резистор, а также многие другие датчики, которые известны специалистам в данной области техники и поэтому не раскрываются здесь более подробно.

Устройство 200 дополнительно содержит контроллер 204, который присоединен к лопастям лопастного устройства 206. Датчик 202 положения измеряет положение лопасти, когда она вращается вокруг ее оси вращения. Это положение сообщается контроллеру, который затем использует полученную информацию для изменения момента инерции каждой из лопастей лопастного устройства 206, чтобы уменьшать этот момент во время хода вверх и уменьшать его во время хода вниз. Таким образом, для вращения лопастного устройства в данной конструкции используется меньше энергии, чем в известных конструкциях.

Предпочтительно, вышеописанные средства изменения момента инерции отдельных лопастей в лопастном устройстве могут работать совместно. Таким образом, моменты инерции всех лопастей в лопастном устройстве могут изменяться одновременно. Это является особенно предпочтительным в ветровой турбине, поскольку можно получить максимальной коэффициент полезного действия ветровой турбины, регулируя моменты инерции в соответствии со скоростью преобладающего ветра. При этом следует понимать, что два аспекта могут взаимодействовать (т.е., момент инерции всех лопастей может изменяться, в то время как моменты инерции каждой лопасти могут изменяться в диапазоне, определяемом величиной, на которую изменяется момент инерции всех лопастей). На фиг. 3 показан схематический вид сбоку деталей варианта осуществления изобретения.

На фиг. 3 показана лопастное устройство 120 с одной усеченной лопастью 124. Лопасть 124 соединяется с корпусом 123, который вращается вокруг оси 122. Лопасть 124 и корпус 123 соединены с валом 132, при этом вращение лопасти 124 в результате ее взаимодействия с ветром вызывает вращение корпуса и вала. Вал 132 соединен с генератором электрического тока (не показан), таким образом, устройство 120 генерирует электричество так же, как известные ветровые генераторы. С корпусом 123 соединена гондола 140. В этом варианте осуществления гондола 140 содержит первую лопасть 142 гондолы и вторую лопасть 144 гондолы. Лопасти 142 и 144 гондолы вращаются вокруг гондолы 140 и соединены с генератором 150, таким образом, движение лопастей 142 и 144 гондолы вызывает генерирование электричества генератором 150 известным способом. Небольшая вспомогательная ветровая турбина, содержащая лопасти 142, 144 гондолы и генератор 150, требует гораздо меньшей скорости ветра для приведения во вращение, и работает при гораздо более низкой скорости ветра, чем это необходимо для основной лопасти 124.

В одном варианте осуществления небольшая вспомогательная ветровая турбина представляет собой ветровую турбину WindTronics (RTM) производства Honeywell (RTM), которая приходит во вращение при скорости ветра 0,5 м/с или менее. Эта небольшая вспомогательная турбина может быть установлена на любой части основной турбины и не обязательно образует часть гондолы. Предпочтительно, вспомогательную турбину устанавливают на максимально возможной высоте, чтобы на нее действовал ветер с максимально возможной скоростью.

При этом следует понимать, что генерирование электричества генератором 150 в результате вращения лопастей 142 и 144 отличается от генерирования электричества лопастным устройством 120, поскольку генератор 150 соединяется с контроллером 126, который, в свою очередь, соединяется с насосом 128.

Насос 128 посредством трубопровода 130 соединяется с резервуаром 134. Кроме того, насос 128 посредством трубопровода 136 соединяется с резервуаром 137, расположенным в лопасти 124. Насос 128 и гидравлический резервуар 134 расположены за пределами корпуса 123 и не вращаются вместе с лопастью 124. Насос 128 соединяется с трубопроводом 136 при помощи поворотного патрубка (не показан).

Контроллер 126 содержит датчик (не показан) для измерения углового положения лопасти 124 относительно оси 122 вращения. Кроме того, контроллер 126 управляет насосом 128 для перекачивания текучей среды (в данном случае - воды) по трубопроводам 130 и 136 между резервуаром 134 и резервуаром 137.

Устройство 120 по фиг. 3 использует ветер с целью генерирования энергии для управления устройством, чтобы изменять инерцию лопасти 124. В этом варианте осуществления, лопасти 142 и 144 гондолы используют преобладающий ветер, чтобы генерировать энергию, необходимую для работы устройства, которое изменяет момент инерции лопастей. Предпочтительно, генерирование этой потребляемой энергии происходит только тогда, когда в ней имеется потребность (т.е., когда имеет место преобладающий ветер со скоростью, достаточной для работы ветровой турбины).

В вышеуказанных вариантах осуществления моменты инерции одной или более лопастей изменяются в соответствии с угловым положением лопасти. Предпочтительно, при этом момент инерции увеличивается, когда лопасть поворачивается в пределах приблизительно от 7 до 180 градусов от вертикали. Альтернативно, момент инерции изменяется, когда лопасть поворачивается в пределах от 25 до 135 градусов от вертикали. В других вариантах осуществления момент инерции имеет непрерывное синусоидальное изменение по мере поворота лопасти.

На фиг. 4 показаны лопасть и ступица. Гондола 41 соединена с множеством основных лопастей 42 (частично показаны). Основные лопасти 42 предназначены для вращения вместе с гондолой 41 вокруг центральной оси 44. Ступица 40 расположена позади основных лопастей 42 и гондолы 41. Ступица 40 соединяется с основными лопастями 42, при этом вращательное движение основных лопастей 42 передается ступице 40, и наоборот. Ступица 40 и основное лопастное устройство соединяются с обычной турбиной для преобразования вращательного движения в электрическую энергию. Ступица 40 является частью контура текучей среды и способна принимать 43а и отдавать 43b текучую среду. Текучая среда поступает в направлении 43а в ступицу 40 в точке, расположенной над центральной осью 44 и выходит в направлении 43b из ступицы в точке, расположенной под центральной осью 44. На чертеже не показано множество вспомогательных лопастей, которые вращаются независимо от основных лопастей 42 и рассчитаны на более низкие скорости ветра, чем основные лопасти 42, т.е., вспомогательные лопасти требуют для приведения во вращение меньшей скорости ветра. Вспомогательные лопасти соединены со вспомогательной турбиной, которая генерирует электрическую энергию, используемую для перекачивания текучей среды 43а в ступицу 40. Во время работы вспомогательные лопасти вращаются при низкой скорости ветра. Эта низкая скорость ветра является недостаточной для вращения основных лопастей 42. Электрическая энергия, генерируемая вспомогательной турбиной, используется для перекачивания текучей среды в ступицу 40 и из ступицы 40.

На фиг. 5а показан схематический вид в сечении лопасти и ступицы по оси А-А' с фиг. 4. На фиг. 5а показано ступица 40, содержащая восемь камер, расположенных вокруг центральной оси 44. Четыре камеры находятся слева от центральной оси 44, и четыре камеры 40а, 40b, 40с, 40d - справа. Ступица 40 установлена с возможностью вращения с лопастями в направлении, указанном стрелкой 45а. В данном варианте осуществления имеется восемь камер. В других вариантах осуществления, количество камер может изменяться, но должно быть равно трем или более.

Во время работы электрическая энергия, генерируемая вспомогательной турбиной, используется для перекачивания текучей среды в первую камеру 40d, которая является самой верхней камерой с правой стороны от центральной оси 44. Ступица 40 поворачивается в направлении 45а, и вторая камера 40с занимает место первой камеры 40d. Затем вторая камера 40с как самая верхняя камера с правой стороны от центральной оси 44 устанавливается для приема текучей среды. Текучая среда накачивается во вторую камеру 40с, в то время как ступица 40 поворачивается в направлении 45а, при этом третья камера 40b ступицы занимает место самой верхней камеры с правой стороны от центральной оси 44 и заполняется текучей средой. Это продолжается до тех пор, пока первая камера 40d не станет самой нижней камерой с правой стороны от центральной оси 44, а четвертая камера 40а -самой верхней камерой с правой стороны от центральной оси 44. При этом все четыре камеры 40а, 40b, 40с, 40d содержат текучую среду, накачанную в них в верхней точке ступицы 40, как показано на фиг. 5а. Четыре камеры 40а, 40b, 40с, 40d, расположенные с правой стороны, заштрихованы, чтобы показать, что они содержат текучую среду. Затем текучая среда выкачивается из каждой камеры (как показано стрелкой 43b на фиг. 4), когда соответствующая камера становится самой нижней камерой с правой стороны от центральной оси 44. Накачивание текучей среды в ступицу и откачивание из ступицы осуществляется таким образом, чтобы вход и выход текучей среды способствовал вращению ступицы.

В альтернативных устройствах электрическая энергия, генерируемая вспомогательной турбиной, используется для питания первого насоса с целью перекачивания текучей среды в направлении 43b из ступицы 40 и/или второго насоса с целью перекачивания текучей среды в направлении 43а в ступицу 40. Вышеописанное непрерывное заполнение и опорожнение камер, расположенных с одной стороны от центральной оси 44, увеличивает массу камер с той стороны ступицы 40, где происходит заполнение текучей средой, по сравнению с массой камер с противоположной стороны. Центр инерции ступицы 40 на фиг. 5а находится с правой стороны от центральной оси 44 вследствие неравномерного распределения массы текучей среды в камерах ступицы 40. Смещение центра инерции создает момент силы относительно центральной оси 44. Поскольку камеры с правой стороны от центральной оси 44 непрерывно заполняются текучей средой, продолжается действие момента силы на смещение ступицы 40 от центральной оси 44. Смещение момента создает постоянную силу для вращения ступицы 40 вокруг центральной оси 44. Вращение ступицы 40 вызывает соответствующее вращение основных лопастей 42. Начальное вращение основных лопастей, которое требует большого количества энергии для преодоления сил трения в основном лопастном устройстве, облегчается, благодаря энергии, генерируемой в результате вращения вспомогательных лопастей.

Как раскрыто выше, для добавления текучей среды в камеры ступицы применяется накачивание насосом, однако, сила тяжести также может быть использована для принудительного впрыска текучей среды. Кроме того, изобретение не ограничивается заполнением ступицы с задней стороны. Текучая среда может входить в ступицу со стороны верхней поверхности ступицы и выходить через нижнюю поверхность. Количество камер должно быть равным по меньшей мере двум, однако, ступица может также содержать любое большее количество камер.

На фиг. 5b показан другой вариант ступицы, способной вращаться в направлении стрелки 45b. На фиг. 4, ступица 40 является частью контура текучей среды и может принимать в направлении 43а и отдавать в направлении 43b текучую среду через заднюю сторону ступицы 40. В варианте осуществления, показанном на фиг. 5b, текучая среда подается в верхней точке 50а ступицы и отводится в нижней точке 50b ступицы. Верхняя точка 50а является, либо самой верхней точкой, либо точкой, близкой к самой верхней точке верхней камеры. Нижняя точка 50b является, либо самой нижней точкой, либо точкой, близкой к самой нижней точке нижней камеры. В верхней точке 50а текучая среда накачивается под острым углом к горизонтали и в направлении вращения 45b. При этом текучая среда оказывает импульсное воздействие на ступицу, а направление составляющей этого импульса совпадет с направлением 45а движения. В нижней точке 50b текучая среда выкачивается под острым углом к горизонтали и в направлении вращения 45b. При этом по меньшей мере одна составляющая функциональной силы между ступицей и текучей средой, выходящей из ступицы, действует в направлении 45а движения.

На фиг. 6 показан импеллер 60, предназначенный для вращательного соединения вспомогательной турбины с основной турбиной, импеллер 60 имеет центральное входное отверстие 60b, которое служит открытым входом для приема поступающей текучей среды, и множество лопастей 60а, которые выталкивают текучую среду, полностью отводя ее от центрального входного отверстия 60b к наружной кромке. Импеллер 60 установлен с возможностью вращения вокруг оси 64 в направлении стрелки 65. На фиг. 7 показана емкость 71 для текучей среды, образующая резервуар для рабочей текучей среды для передачи энергии вокруг пневматической системы 70, которая содержит импеллер по фиг. 6. Насос 72 предназначен для перекачивания текучей среды из резервуара 71 для текучей среды, через импеллер 73 перед тем, как указанная текучая среда возвращается в резервуар 71 для текучей среды, который замыкает пневматический контур. Насос 72 приводится в действие вспомогательной турбиной 74 и соединяется со вспомогательной турбиной 74 при помощи насосного соединения 75. В одном варианте осуществления насосное соединение 75 содержит электрический проводник и двигатель, при этом энергия передается от вспомогательной турбины 74 к насосу 72 при помощи электричества. В другом варианте осуществления насосное соединение 75 содержит еще один пневматический насос, соединенный с другим импеллером, при этом вращение вспомогательной турбины 74 перекачивает текучую среду, чтобы вращать указанный другой импеллер, приводя, таким образом, в действие насос 72; а в еще одном варианте осуществления, насосное соединение 75 содержит физическое соединение между насосом 72 и вспомогательной турбиной 74.

Основная турбина 76 соединяется с импеллером 73 посредством вала 77 основной турбины. Вал 77 основной турбины механически соединяет импеллер 73 с основной турбиной 76. Рабочая текущая среда, проходящая через импеллер 73 и нагнетаемая насосом 72, вращает импеллер 73, который, в свою очередь, вращает вал 77 основной турбины и приводит в действие основную турбину 76.

Во время работы энергия, генерируемая вспомогательной турбиной 74 в результате принудительного вращения комплекта вспомогательных лопастей (не показаны), приводит в действие насос 72. Насос 72 перекачивает рабочую текучую среду по пневматическому контуру и через импеллер 73, приводя в действие основную турбину 76, а также приводя во вращение комплект лопастей (не показан) основной турбины 76, соединенных с основной турбиной 76. Согласно другим вариантам осуществления комплект вспомогательных лопастей, соединенных со вспомогательной турбиной 74, способен вращаться при более низкой скорости ветра, чем скорость ветра, которая требуется для вращения лопастей основной турбины, соединенных с основной турбиной 76.

На фиг. 8 показан график, на котором выходная мощность ветровой турбины нанесена по вертикальной оси, а установившаяся скорость ветра, который действует на турбину, - по горизонтальной оси. Сплошная линия, показанная на графике, соответствует традиционной ветровой турбине, при этом требуется определенная минимальная скорость ветра, чтобы привести в действие турбину для генерирования энергии. Эта минимальная скорость ветра, или скорость, при которой турбина приводится во вращение, соответствует на графике точке С.По мере увеличения скорости ветра мощность, генерируемая турбиной, возрастает до тех пор, пока она не достигнет максимальной установленной выходной мощности А, которая соответствует максимальной эксплуатационной скорости Е ветра. При дальнейшем увеличении скорости ветра выходная мощность турбины не увеличивается и остается равной максимальной установленной выходной мощности А. Когда скорость ветра достигает максимально допустимой величины, турбина отключается, чтобы предотвратить ее повреждение, при этом генерируемая мощность становится равной нулю. Таким образом, распределение скоростей ветра, которые обеспечивают генерирование энергии, ограничено пределами С и F, показанными на графике, а установленная выходная мощность А достигается при скоростях ветра от Е до F.

Ветровая турбина в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления обеспечивает устройство для расширения вышеуказанных пределов скоростей ветра. Вспомогательная турбина, которая может работать при низких скоростях ветра, используется для смещения момента инерции, либо группы лопастей основной турбины, либо ступицы, соединенной с лопастями основной турбины. Дополнительное вращательное усилие обеспечивается силой тяжести, действующей на момент смещения, что создает силу для вращения лопастей основной турбины при скорости ветра, более низкой, чем это первоначально требовалось для приведения во вращение лопастей основной турбины. Дополнительная сила уменьшает скорость ветра, при которой приводится в действие основная турбина, и скорость ветра, которая требуется для начала генерирования энергии основной турбиной, уменьшается до величины (точка В на фиг. 8), которая ниже скорости, ранее требовавшейся для приведения в действие лопастей основной турбины. Выходная мощность турбины достигает величины установленной выходной мощности А при более низкой скорости ветра D, чем в случае турбины, в которой отсутствует дополнительная сила, однако, механизмы смещения инерции в вариантах осуществления изобретения могут быть конфигурированы таким образом, чтобы турбину можно было использовать до тех пор, пока не будет достигнута максимально допустимая скорость F ветра. Таким образом, ветровая турбина, соответствующая варианту осуществления изобретения, может функционировать в расширенном диапазоне скоростей ветра (от В до F) и обеспечивать установленную выходную мощность в расширенном диапазоне скоростей ветра (от D до F).

Ветровая турбина может содержать любую комбинацию вышеописанных вариантов осуществления.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветровое турбинное устройство, содержащее первое вращаемое лопастное устройство и второе вращаемое лопастное устройство, выполненное с возможностью приводить во вращение первое лопастное устройство, причем первое вращаемое лопастное устройство содержит множество лопастей, выполненных с возможностью вращения вокруг первой оси, и средства изменения момента инерции первого вращаемого лопастного устройства в направлении, противоположном первой оси, при этом средства изменения момента инерции лопасти первого вращаемого лопастного устройства содержат ступицу на первой оси, причем указанная ступица соединена с лопастями первого вращаемого лопастного устройства и выполнена с возможностью вращения вместе с указанными лопастями, при этом указанная ступица содержит средства смещения момента инерции ступицы от первой оси. Изобретение направлено на выработку энергии при малых скоростях ветра. 31 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ветровое турбинное устройство, содержащее первое вращаемое лопастное устройство и второе вращаемое лопастное устройство, выполненное с возможностью приводить во вращение первое лопастное устройство,

причем первое вращаемое лопастное устройство содержит множество лопастей, выполненных с возможностью вращения вокруг первой оси, и средства изменения момента инерции первого вращаемого лопастного устройства в направлении, противоположном первой оси,

при этом средства изменения момента инерции лопасти первого вращаемого лопастного устройства содержат ступицу на первой оси,

причем указанная ступица соединена с лопастями первого вращаемого лопастного устройства и выполнена с возможностью вращения вместе с указанными лопастями,

при этом указанная ступица содержит средства смещения момента инерции ступицы от первой оси.

2. Ветровое турбинное устройство по п. 1, в котором второе вращаемое лопастное устройство способно вращаться при более низкой скорости ветра, чем первое вращаемое лопастное устройство.

3. Ветровое турбинное устройство по п. 1 или 2, в котором первое вращаемое лопастное устройство содержит множество лопастей, имеющих больший диаметр, чем множество лопастей, которые содержит второе вращаемое лопастное устройство.

4. Ветровое турбинное устройство по п. 1 или 2, в котором первое вращаемое лопастное устройство связано со вторым вращаемым лопастным устройством электрическими средствами и выполнено с возможностью приведения в действие посредством второго вращаемого лопастного устройства.

5. Ветровое турбинное устройство по п. 1 или 2, в котором первое вращаемое лопастное устройство связано со вторым вращаемым лопастным устройством пневматическими средствами и выполнено с возможностью приведения в действие посредством второго вращаемого лопастного устройства.

6. Ветровое турбинное устройство по п. 5, в котором пневматические средства содержат насос, выполненный с возможностью приведения в действие вторым вращаемым лопастным устройством, и импеллер, выполненный с возможностью приводить в действие первое вращаемое лопастное устройство; причем

указанный насос выполнен с возможностью перекачивать текучую среду к импеллеру.

7. Ветровое турбинное устройство по п. 1 или 2, в котором первое вращаемое лопастное устройство связано со вторым вращаемым лопастным устройством и выполнено с возможностью приведения в действие посредством второго вращаемого лопастного устройства с помощью механических средств.

8. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, в котором второе вращаемое лопастное устройство по меньшей мере частично расположено в гондоле первого вращаемого лопастного устройства.

9. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, в котором первое и второе вращаемые лопастные устройства опираются на единую конструкцию.

10. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, в котором первое вращаемое лопастное устройство и второе вращаемое лопастное устройство являются соосными.

11. Ветровое турбинное устройство по п. 10, в котором первое вращаемое лопастное устройство является вращаемым вокруг первой оси, а второе вращаемое лопастное устройство является вращаемым вокруг второй оси, при этом первая ось расположена выше второй оси.

12. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, в котором первое вращаемое лопастное устройство опирается на первую конструкцию; а второе вращаемое лопастное устройство опирается на вторую конструкцию.

13. Ветровое турбинное устройство по п. 1, дополнительно содержащее датчик угла поворота для измерения угла поворота первого вращаемого лопастного устройства и контроллер, предназначенный для изменения момента инерции в зависимости от измеренного положения, при этом момент инерции первого вращаемого лопастного устройства зависит от угла поворота первого вращаемого лопастного устройства вокруг первой оси.

14. Ветровое турбинное устройство по п. 1, в котором каждая лопасть первого вращаемого лопастного устройства содержит средства изменения момента инерции лопасти независимо от момента инерции других лопастей.

15. Ветровое турбинное устройство по п. 13, в котором предусмотрено уменьшение момента инерции лопасти при движении лопасти в направлении, противоположном направлению силы тяжести, и увеличение момента инерции, когда движение лопасти совпадает с направлением силы тяжести.

16. Ветровое турбинное устройство по п. 15, расположенное таким образом, чтобы продольная ось лопастей первого вращаемого лопастного устройства была, по существу, перпендикулярной уровню земли, при этом предусмотрено увеличение момента инерции при повороте лопасти между приблизительно 7 и 180 градусами от вертикали при измерении от положения, соответствующего 12 часам на часовом циферблате.

17. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, 11, в котором средства изменения момента инерции выполнены с возможностью одновременно изменять момент инерции всех лопастей первого вращаемого лопастного устройства.

18. Ветровое турбинное устройство по п. 17, в котором средства изменения момента инерции выполнены с возможностью одновременно изменять момент инерции всех лопастей первого вращаемого лопастного устройства в ответ на изменение скорости ветра.

19. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, 11, в котором средства изменения момента инерции содержат полость, выполненную в лопасти, и насос, предназначенный для перекачивания первой текучей среды в указанную полость и из указанной полости, чтобы изменять момент инерции соответствующей лопасти.

20. Ветровое турбинное устройство по п. 19, в котором плотность первой текучей среды больше, чем плотность воздуха.

21. Ветровое турбинное устройство по п. 19, в котором плотность первой текучей среды меньше, чем плотность воздуха.

22. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 18, 20, 21, дополнительно содержащее первый резервуар для первой текучей среды, при этом предусмотрена возможность перекачивания насосом указанной первой текучей среды между первым резервуаром и полостью, причем первый резервуар расположен ближе к первой оси, чем полость.

23. Ветровое турбинное устройство по любому из пп. 1, 2, 6, 11, в котором средства изменения момента инерции лопасти первого вращаемого лопастного устройства содержат средства изменения расстояния между лопастью и первой осью.

24. Ветровое турбинное устройство по п. 23, в котором средства изменения расстояния между лопастью и первой осью содержат гидравлический цилиндр.

25. Ветровое турбинное устройство по п. 1, в котором предусмотрено смещение момента инерции ступицы от первой оси в направлении, перпендикулярном первой оси.

26. Ветровое турбинное устройство по п. 25, в котором смещение момента инерции ступицы обеспечивает создание вращающей силы для вращения первого вращаемого лопастного устройства вокруг первой оси.

27. Ветровое турбинное устройство по п. 25 или 26, в котором ступица содержит множество камер, по меньшей мере частично смещенных от первой оси, при этом инерция каждой камеры является изменяемой путем перекачивания второй текучей среды в каждую камеру и из нее.

28. Ветровое турбинное устройство по п. 27, в котором первая камера является одной из множества камер, при этом предусмотрено накачивание второй текучей среды в первую камеру ступицы в первой точке вращения и выкачивание из первой камеры во второй точке вращения, причем первая точка имеет больший потенциал силы тяжести, чем вторая точка.

29. Ветровое турбинное устройство по п. 28, в котором вторая камера является одной из множества камер, при этом предусмотрено накачивание второй текучей среды во вторую камеру ступицы в первой точке вращения и выкачивание из второй камеры во второй точке вращения.

30. Ветровое турбинное устройство по п. 27, в котором множество камер равномерно расположено вокруг первой оси.

31. Ветровое турбинное устройство по п. 27, в котором для управления сдвигом момента инерции ступицы от первой оси предусмотрена возможность регулирования количества текучей среды, накачиваемой в каждую из множества камер.

32. Ветровое турбинное устройство по п. 27, в котором плотность второй текучей среды больше, чем плотность воздуха.