Ветротурбинный двигатель с горизонтальным ротором

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергоустановках, преобразующих энергию ветрового потока в электрическую энергию. Ветровая турбина содержит ротор с лопастями, выполненный с возможностью вращения, локализующую ветер стену, проходящую частично вокруг ротора и имеющую радиус, определяемый относительно оси вращения ротора, канал сжатия ветра, образованный между стеной локализации ветра и ротором и имеющий впуск и выпуск, причем радиус локализирующей стены уменьшается между впуском и выпуском канала сжатия ветра, направляющую входящего потока воздуха, имеющую поверхность, искривленную для направления ветра внутрь впуска, направляющую выходного потока воздуха, имеющую поверхность, искривленную для направления ветра, выходящего из выпуска из турбины, при этом стена локализации ветра, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха выполнены с возможностью вращения вокруг оси вращения ротора независимо от ротора. Турбина может дополнительно содержать аэродинамический профиль перепуска ветра, увеличивающий скорость ветра воздуха для создания области пониженного давления и обеспечивающий выход воздуха из турбины. Изобретение обеспечит использование более полного процента энергии ветра. 24 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Автор данного изобретения изучил примеры сегодняшнего уровня техники ветровых турбин с неподвижными лопатками. Очевидно, что в существующем уровне ветровых турбин необходимы усовершенствования для захвата и использования более высокого процента энергии ветра, доступного их движущим лопатками. Также становится все более очевидно, что существующие типы ветровых турбин с пропеллерными лопастями приближаются к верхнему пределу своего габарита. В этом случае экономические соображения экстенсивности заключаются в сооружении и установке большого их количества. Другими важными соображениями были их наземное расположение при использовании, звук низкой частоты высокой интенсивности (чтобы не беспокоить животных) и их внешний вид.

По мнению автора, достижение перечисленных далее целей изобретения обеспечит использование более высокого процента энергии ветра ветровыми турбинами: первое - увеличенная площадь впуска перед ротором турбины; второе - наличие локализующей и регулирующей камеры для максимального извлечения энергии из захваченного ветра; третье - средство повышения скорости пропускаемого ветра свыше преобладающей скорости ветра, воспринимаемой турбиной; четвертое - наличие средства сжатия пропускаемого ветра; пятое - выполнение области выпуска с более низким атмосферным давлением. Размещение, осуществление, корпус и внешний вид также являются предметом изобретения - для создания целой установки, в меньшей степени нарушающей ландшафт, менее беспокоящей птиц и животных.

Цели настоящего изобретния достигаются за счет того, что ветровая турбина согласно изобретению содержит ротор, имеющий множество лопастей и выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения; локализующую ветер стену, проходящую частично вокруг ротора и имеющую радиус, определяемый относительно оси вращения ротора; канал сжатия ветра, образованный между стеной локализации ветра и ротором и имеющий впуск и выпуск, причем радиус локализующей стены уменьшается между впуском и выпуском канала сжатия ветра; при этом проходящий по каналу ветер взаимодействует с лопастями, вызывая вращение ротора; направляющую входящего потока воздуха, имеющую поверхность, искривленную для направления ветра внутрь впуска; направляющую выходного потока воздуха, имеющую поверхность, искривленную для направления ветра, выходящего из выпуска из турбины; и при этом локализующая ветер стена, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха выполнены с возможностью вращения вокруг оси вращения ротора независимо от ротора для придания направления ветру.

Ветровая турбина может дополнительно содержать аэродинамический профиль перепуска ветра, увеличивающий скорость воздушного ветра для создания области пониженного давления, чтобы обеспечить выход воздуха из турбины.

Предпочтительно, направляющая входящего потока воздуха, направляющая выходящего потока воздуха и аэродинамический профиль перепуска ветра являются частью барьера для ветра и направляющим поток узлом.

Предпочтительно, ротор имеет радиус, определяемый относительно оси вращения ротора, и лопасти расположены на внешних 40% радиуса ротора.

Предпочтительно, внутренние 60% радиуса ротора блокированы. Предпочтительно, ротор имеет опорную плиту и верхнюю плиту. Предпочтительно, ось вращения ротора проходит по вертикали. Предпочтительно, локализующая ветер стена имеет регулируемые секции для уменьшения сжатия ветра.

Предпочтительно, лопасти изогнуты и образуют ветроулавливатель.

Предпочтительно, локализующая ветер стена, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха расположены на поворотном горизонтальном плоском основании.

Предпочтительно, радиус локализующей ветер стены постепенно уменьшается между впуском канала сжатия ветра и выходом канала сжатия ветра.

Ветровая турбина может дополнительно содержать генератор, функционально соединенный с ротором.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на использование энергии воздушного потока при помощи внутреннего ротора, лопатки которого расположены на сравнительно большом удалении от его центра. В предпочтительном осуществлении лопатки расположены на внешних 40% радиуса ротора. Этот признак изобретения усиливает крутящий момент. Входящий воздушный поток, смещаемый блокированными 60% радиуса ротора турбины, изменяет направление, чтобы приводить в действие лопатки - вместо того, чтобы терять энергию. Также в соответствии с данным изобретением поступающий воздушный поток определенным образом направляется, и его скорость увеличивается при помощи регулируемой камеры, содержащей ротор турбины, повышая сжатие воздушного потока, в то время как он приводит в действие лопатки турбины, что во многом аналогично паровому или газовому турбинному двигателю. Регулируемая локализация и направление поступающей энергии, направляемой для обеспечения максимального воздействия на лопатки турбины, значительно увеличивают захваченную энергию. Газовые и паровые турбинные двигатели являются ясными примерами успешного применения этих принципов.

Обладающий новизной признак настоящего изобретения заключается в наличии воздухозаборного и проводящего канала, который поворачивает поступающий воздушный поток на 180 градусов. Этот признак обеспечивает три преимущества. Во-первых, повышает скорость пропускаемого воздушного потока. Во-вторых, его радиус постепенно уменьшается от центра ротора турбины, сжимая поступающий воздушный поток, увеличивая его плотность и усиливая его способность приведения в действие лопаток турбины. В-третьих, благодаря наличию этого признака пропускаемый воздушный поток постоянно приводит в действие восемь из двенадцати лопаток ротора, или - две трети любого числа лопаток, которые могут находиться на роторе турбины.

Теоретически потенциальное значение повышения скорости воздушного потока во время прохождения поступающего воздушного потока через воздухозаборник и канал прохождения согласно изобретению равно 1/2 С к D (половина окружности полного круга, определяемого продолжением внутренней лицевой поверхности упомянутого канала прохождения, образующим полный круг, деленной на диаметр этого круга), и составляет от 1,57 до 1. Но обычные факторы лобового сопротивления и некоторое относящееся к сжатию возможное замедление значительно снизят эту скорость, возможно, - более чем на 25%. Тем не менее, фактическое повышение скорости поступающей массы воздуха будет увеличивать имеющуюся кинетическую энергию (ватт/кв.м) в кубе. Фактическое 25-процентное увеличение скорости ветра увеличит активную мощность в ваттах на один кв. метр на 1,25 в кубе, или 1,95; и конечным результатом будет 95-процентное увеличение используемой энергии. 50-процентное фактическое увеличение скорости ветра повысит активную мощность в ваттах на 1,50 в кубе, или 3,375 - что очень значительно.

Коэффициент сжатия также увеличит используемую кинетическую энергию из расчета на кв. метр. Увеличение массы или веса поступающего воздуха также представляет собой функцию в кубе из расчета имеющейся активной мощности в ваттах на кв. метр; и с увеличением скорости 25-процентный коэффициент сжатия может повысить используемую активную мощность в ваттах на кв. метр на 95%.

Такое средство увеличения скорости и обеспечения сжатия можно назвать «Повышением Кинетической Энергии» и также сделать его общепринятой терминологии для таких средств увеличения потенциала извлекаемой энергии ветроэлектроустановками.

Предложенное изобретение обладает преимуществом в тех случаях, когда тип ветровых турбин с тремя неподвижными лопатками согласно известному уровню техники достигает своего верхнего габаритного предела. Изобретение можно осуществить в крупном масштабе для выработки большего количества энергии, чем крупнейшие известные трехлопастные ветровые турбины. Капитальные издержки из расчета на один мегаватт вырабатываемой электроэнергии будут значительно снижены.

Был разработан вариант изобретения, согласно которому диаметр ротора турбины составил 30,48 м, и площадь каждой лопатки - 74,32 кв.м. При одновременной работе восьми из двенадцати лопастей воздушный поток приводит в действие 595 кв.м площади лопаток. При этом создается очень значительный крутящий момент и генерируется очень большая мощность в л.с. для приведения в действие электрогенераторов или других механических средств для использования этой выходной мощности. Изобретение можно осуществить в любом масштабе в соответствии с его себестоимостью по отношению к величине генерируемой полезной энергии, с техническими ограничениями и в соответствии с имеющимся конструкционным материалом.

Что касается резких изменений скорости воздушного потока, которые могут отрицательно сказываться на известных ветровых турбинах, то участок сжатия согласно настоящему изобретению будет поглощать эти изменения без ущерба для турбины или внешней граничной стены канала пропуска воздушного потока. Такая внешняя граничная стена должна быть должным образом упрочнена с учетом таких резких изменений и давления. Также можно отметить, что ротор диаметром 30,48 м будет вращаться со скоростью только около 20 об/мин, при этом скорость воздушного потока в канале пропускаемого ветра будет составлять 112,65 км/ч, если исходить от того, что скорость на внешней окружности ротора будет той же, что и скорость воздушного потока.

Самые крупные ветровые турбины с тремя пропеллерными лопастями согласно известному уровню техники имеют высоту до 91,4 мм над землей - от уровня грунта до верха окружности траектории вращения конца лопатки. Изобретение, имеющее карусельную конфигурацию, имеет высоту около 30,48 м над землей - от грунта до верха кровли, при этом высота пола над уровнем грунта 9,144 м. Это намного меньше половины высоты самой крупной известной турбины с тремя пропеллерными лопастями.

С точки зрения внешнего вида и экологичности настоящее изобретение может оказаться более предпочтительным по сравнению с известными ветровыми турбинами. Его внешний вид не нарушает ландшафт, и поэтому оно должно в большей степени вписываться в местность. Насыпь его основания можно засеять травой, и вмещающее его строение может выглядеть привлекательно. Что касается вреда от него для птиц, то это вряд ли когда-либо возможно. Они могут просто пролетать по каналу пропускаемого ветра с повышенной скоростью. Еще одна проблема, характерная для крупных трехлопастных ветровых турбин, заключается в низкочастотном звуке высокой интенсивности. Вероятность того, что настоящее изобретение будет создавать такую звуковую проблему, отсутствует; и если в этом возникнет необходимость, то снижение шума для формы и конструкции этого типа не будет трудным делом.

Предполагается, что модели меньшего размера согласно изобретению можно устанавливать на крыше здания либо на металлоконструкции или вышке в целях захвата энергии воздушного потока для конкретных нужд. Также предполагается использование меньших моделей с установкой ротора турбины на горизонтальной оси.

Предполагаются также варианты формы лопаток ротора турбины, обеспечивающих захват и направление воздушного потока, а также дополнительные усовершенствования в части забора, прохождения и проема, причем эти модификации будут понятны специалисту в данной области техники.

В отношении существа настоящего изобретения, то просто предложен ветротурбинный двигатель в качестве принципиальной концепции. Все прочие подробности помимо вышеизложенных относительно поворота пола, подшипников ротора, механических устройств, механических приводов и систем известны и имеются в наличии либо как ясно определенные концепции, либо как выпускаемые промышленностью изделия. Эти позиции, которые могут считаться существенными для данного изобретения, считаются вопросами машиностроения или надлежащего технического использования известного уровня техники.

Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид горизонтальной проекции предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Фиг.2 - вид спереди того же варианта осуществления, более полно иллюстрирующий проем захвата воздушного потока и относительное размещение ротора - в рабочем режиме, полностью собранного на месте, внутри его строения; проем захвата воздушного потока установлен в полностью рабочем положении, как показано на Фиг.1.

Из приведенного далее подробного описания изобретения станут понятны упомянутые и дополнительные цели, преимущества или обладающие новизной признаки данного изобретения.

На Фиг.1 показана горизонтальная проекция предпочтительного осуществления данного изобретения, где узел ротора 1 турбины состоит из плоской круглой опорной плиты 2 внизу и из другой такой плиты сверху (не показано); из лопастей 3 турбины с постепенными небольшими изгибами для получения эффекта частичного ветроулавливания, для придания прочности лопатке и для возможного дополнительного натяжения поверхности лопаток ротора, что может быть желательным при такой компоновке. Кроме того, имеются упрочняющие конец лопатки полосы или детали 4, упрочняющие трубки или тросы 5, цилиндрическая труба 6 оси ротора турбины, область 7 проема впуска воздушного потока, канал 8 прохождения и сжатия воздушного потока, внешняя граничная локализующая ветер стена 9 с упрочненным вводным концом для локализации давления, который искривлен для повышения скорости впуска и для снижения давления выходящего воздушного потока. Внешняя граничная локализующая ветер стена 9 имеет три коротких секции 9а, 9b и 9с, выполненных с возможностью их - от частичного до полного - открытия для уменьшения сжатия ветра, которое может стать слишком высоким для прочности упомянутой стены 9, как в случае очень высоких скоростей ветра, чтобы использовать энергию ветра, можно было без ущерба для строения, вмещающего в себе турбину. Функция участка 10 выпуска ветра низкого давления усилена выполнением хвоста граничной локализующей ветер стены с изогнутой поверхностью и наличием направляющего поток узла 11, который также имеет изогнутую переднюю сторону для ускорения, направления и частичного сжатия ветра, поступающего на лопатки 3 турбины - в области 7 проема впуска ветра; причем находящаяся на левой стороне сложная аэродинамическая кривая увеличивает скорость перепуска ветра на своей внешней левой стороне, в результате чего ветер определенным образом увеличивает снижение давления и создает всасывание на участке 10 выпуска ветра низкого давления.

Установка также имеет горизонтальную круглую плоскую секцию 12 пола, выполненную с возможностью, при необходимости, поворота для доступа к направлению ветра, или в положение, в котором слишком сильный ветер не имеет доступа к области 7 отверстия воздухозабора и участку 10 выпуска ветра.

Установка также имеет неподвижное горизонтальное круглое плоское, проходящее по внешнему периметру кольцо 13 пола со скошенным верхним внешним краем по его окружности; и неподвижную горизонтальную круглую плоскую секцию 14 пола, проходящую внутрь к центру, радиус которой направлен наружу от ротора турбины, и также проходящую под ротором 1 турбины к внешней периферии шахты 16 лестницы/лифта, расположенной в центре строения. Установка также имеет вертикальную цилиндрическую несущую опорную стену 15, которая начинается вблизи внутренней осевой трубы ротора турбины и проходит наверх. Установка также имеет вертикальную винтовую цилиндрическую лестницу и/или шахту 16 лифта, проходящую снизу секции 14 пола непосредственно наверх и концентрическую с несущей опорной стеной 15.

Несущая опорная стена 15 служит для нескольких целей: как концентрическая подвеска и опора для осевой трубы 6 ротора 1 турбины на ее нижней и верхней внутренних поверхностях, как служебное помещение и диспетчерская 17 и как неподвижная секция крыши 18 здания, как показано на Фиг.2; причем упомянутая секция крыши здания проходит по радиусу наружу от упомянутой несущей стены 15 и далее за верхний край ротора 1 турбины.

Несущая стена 15 в радиальном направлении поперечно соединена с внешней стороной шахты 16 лестницы/лифта на этажных уровнях, выполненных каждые десять футов, чтобы обеспечить дополнительную устойчивость и прочность всему строению корпуса турбины; при необходимости можно предусмотреть дополнительные этажи.

Шахта 16 лестницы/лифта проходит наверх далеко снизу основания секции 14 пола. Крытый искривленный подземный проход (не показан) проходит через насыпь-фундамент, на котором установлен турбинный двигатель, и выходит наружу на уровне земли, и предназначен для эксплуатационного и технического персонала, а также для доступа к нужному оборудованию. Шахта 16 лестницы/лифта проходит наверх под крышу служебного помещения или диспетчерской 17 (Фиг.2) для соответствующего размещения лифта и соответствующей системы привода. Нужно также отметить, что спиральная лестница расположена вокруг шахты 16. От поверхности секции 14 пола лестница далее проходит вниз к упомянутому подземному проходу, чтобы персонал имел соответствующий аварийный вход и выход в случае неисправности лифта.

Фиг.2 показывает завершенное размещение установки ветротурбинного двигателя со служебным помещением и диспетчерской 17 сверху, и с сегментом или секцией неподвижной круглой покатой крыши, по радиусу прикрепленной к несущей стене 15 (Фиг.1); и с внешним сегментом или секцией 19 внешней крыши (Фиг.2), основание которой установлено на поворотной секции 12 пола (Фиг.1), при помощи расставленных с точным интервалом и соединенных друг с другом вертикальных стоек в виде труб (не показаны), заключает в себе участок между неподвижной секцией 18 крыши (Фиг.2) и внешней локализующей ветер стеной 9 (Фиг.1).

Как показано на Фиг.2, длинная опорная стойка или труба 20 - для аэронавигационного огня 21 - обычно необходима для высоких строений в открытой местности в большинстве государств.

На Фиг.1 все системы для отбора мощности, электрогенераторы, соответствующее механическое оборудование и устройства, включая основные распределительные устройства и прочее, можно разместить на уровне первого этажа на неподвижной внутренней секции 14 пола; при этом некоторое оборудование будет находиться ниже уровня пола - между цилиндрической несущей стеной 15 и центральной шахтой 16 лифта. Также в цилиндрической несущей стене 15 будут выполнены арочные или круглые проемы для доступа к опорам, компонентам привода, концентрическим центрирующим роликам и прочее - для смазки и техобслуживания.

Электрические силовые кабели для подачи вырабатываемой энергии в наружные соединения выводятся от генератора - на, или под неподвижной внутренней секцией 14 пола - вниз к выходу по туннелю, выходящему снаружи установочной насыпи для турбинного двигателя.

Исходя из изложенного выше подробного описания, наряду с соответствующими комментариями и пояснениями: упоминаемые выше задачи объекта изобретения должным образом решены и достижимы. Несмотря на то, что выше иллюстрировано и описано предпочтительное осуществление изобретения, подразумевается, что оно не ограничивается им и может быть реализовано по-иному в рамках объема приводимой ниже формулы изобретения.

1. Ветровая турбина, содержащая:
ротор, имеющий множество лопастей и выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения;
локализующую ветер стену, проходящую частично вокруг ротора и имеющую радиус, определяемый относительно оси вращения ротора;
канал сжатия ветра, образованный между стеной локализации ветра и ротором и имеющий впуск и выпуск; причем радиус локализирующей стены уменьшается между впуском и выпуском канала сжатия ветра;
при этом проходящий по каналу ветер взаимодействует с лопастями, вызывая вращение ротора;
направляющую входящего потока воздуха, имеющую поверхность, искривленную для направления ветра внутрь впуска;
направляющую выходного потока воздуха, имеющую поверхность, искривленную для направления ветра, выходящего из выпуска из турбины;
при этом локализующая ветер стена, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха выполнены с возможностью вращения вокруг оси вращения ротора независимо от ротора в соответствии с направлением ветра.

2. Ветровая турбина по п.1, дополнительно содержащая аэродинамический профиль перепуска ветра, увеличивающий скорость воздушного ветра для создания области пониженного давления, чтобы обеспечить выход воздуха из турбины.

3. Ветровая турбина по п.2, в которой направляющая входящего потока воздуха, направляющая выходящего потока воздуха и аэродинамический профиль перепуска ветра являются частью барьера для ветра и направляющим поток узлом.

4. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой ротор имеет радиус, определяемый относительно оси вращения ротора, и лопасти расположены на внешних 40% радиуса ротора.

5. Ветровая турбина по п.4, в которой внутренние 60% радиуса ротора блокированы.

6. Ветровая турбина по п.4, в которой ротор имеет опорную плиту и верхнюю плиту.

7. Ветровая турбина по п.6, в которой ось вращения ротора проходит по вертикали.

8. Ветровая турбина по п.7, в которой локализующая ветер стена имеет регулируемые секции для уменьшения сжатия ветра.

9. Ветровая турбина по п.8, в которой лопатки изогнуты и образуют ветроулавливатель.

10. Ветровая турбина по п.9, в которой локализующая ветер стена, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха расположены на поворотном горизонтальном плоском основании.

11. Ветровая турбина по п.10, в которой радиус локализующей ветер стены постепенно уменьшается между впуском канала сжатия ветра и выходом канала сжатия ветра.

12. Ветровая турбина по п.6, в которой внутренние 60% радиуса ротора блокированы.

13. Ветровая турбина по п.12, в которой ротор имеет опорную плиту и верхнюю плиту.

14. Ветровая турбина по п.13, в которой ось вращения ротора проходит по вертикали.

15. Ветровая турбина по п.14, в которой локализующая ветер стена имеет регулируемые секции для уменьшения сжатия ветра.

16. Ветровая турбина по п.15, в которой лопасти изогнуты и образуют ветроулавливатель.

17. Ветровая турбина по п.16, в которой локализующая ветер стена, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха расположены на поворотном горизонтальном плоском основании.

18. Ветровая турбина по п.17, в которой радиус локализующей ветер стены постепенно уменьшается между впуском канала сжатия ветра и выходом канала сжатия ветра.

19. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой ротор имеет опорную плиту и верхнюю плиту.

20. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой ось вращения ротора проходит по вертикали.

21. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой локализующая ветер стена имеет регулируемые секции для уменьшения сжатия ветра.

22. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой лопасти изогнуты и образуют ветроулавливатель.

23. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой локализующая ветер стена, направляющая входящего потока воздуха и направляющая выходящего потока воздуха расположены на поворотном горизонтальном плоском основании.

24. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, в которой радиус локализующей ветер стены постепенно уменьшается между впуском канала сжатия ветра и выходом канала сжатия ветра.

25. Ветровая турбина по любому одному из пп.1-3, дополнительно содержащая генератор, функционально соединенный с ротором.