Адаптивная турбина

Изобретение относится к управлению и регулированию ветряных двигателей. Адаптивная турбина состоит из ступицы (2) с радиально расходящимися из нее штоками (3) с лопастями (4), каждый из которых имеет привод (5), отвечающий за перемещение штока (3) из ступицы (2) и обратно. Адаптивная турбина расположена в рабочей зоне вихревого концентратора. Изобретение направлено на использование энергии ветра в широком диапазоне скоростей и снижение риска поломки при штормовом ветре. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Заявленное изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к управлению и регулированию ветряных двигателей.

Из существующего уровня техники известен ветродвигатель, патент RU2066396 опубликован 10.09.1996 года. Турбина ветродвигателя указанного изобретения содержит ветроколесо с телескопическими лопастями, включающими основную и выдвижную лопасти, а также привод выдвижной лопасти. В зависимости от скорости ветра ветроколесо за счет подвижных частей лопастей меняет площадь ометания, уменьшая ее при увеличении скорости ветра выше номинальных значений.

Поскольку количество лопастей остается неизменным, быстроходность (отношение линейной скорости кончика лопасти к скорости ветра) турбины также остается постоянной величиной. Следовательно, при прочих равных условиях, при уменьшении радиуса ометаемой площади в два раза, частота вращения турбины увеличивается в два раза. В то же время мощность потока воздуха, проходящего через ометаемую площадь, уменьшится в четыре раза, поскольку прямо пропорциональна площади ометаемой лопастями турбины. В итоге крутящий момент на валу (прямо пропорциональный мощности и обратно пропорциональный частоте вращения), благодаря такому техническому решению, может быть уменьшен в восемь раз, что дает возможность увеличить верхнюю границу рабочего диапазона скорости ветра в два раза – корень кубический из восьми (мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра).

Основными недостатками данного решения являются:

- высокие требования по подгонке подвижных и неподвижных частей во избежание заклинивания при движении друг относительно друга, поскольку подвижные и неподвижные части должны иметь аэродинамический профиль и, согласно автору, различную крутку;

- высокие требования по балансировке ветроколеса на всех режимах работы, так как неравномерное втягивание подвижных частей на высоких оборотах приведет к разбалансировке турбины и опасным вибрациям на валу, которые могут привести выходу из строя ветроустановки;

- указанное техническое решение никак не влияет на уменьшения нижней границы рабочего диапазона скорости ветра, равно как и на снижение стартовой скорости ветроустановки, поскольку для увеличения момента на валу при низкой скорости ветра нужны дополнительные лопасти. А многолопастные системы, как известно, имеют КПД ниже трех- или двухлопастных (коэффициент использования энергии ветра не выше 38%) и быстроходность менее 3х. Это означает, что многолопастная установка малоэффективна при скорости ветра выше 10 м/с, так как воздушный поток с высокой скоростью воспринимает многолопастное ветроколесо как диск, и просто огибает его.

Другим техническим решением является ветроустановка, патент RU2078995 опубликован 10.05.1997 года. Ветроустановка содержит конфузорный концентратор потока на поворотном основании и турбину с «эллипсными турболопастями» и телескопическими выдвижными лопатками.

В отличие от предыдущего технического решения, данная ветроустановка содержит концентратор воздушного потока, что снижает стартовую скорость.

Основные недостатки, помимо тех, что указаны в предыдущем изобретении, это:

- необходимость ориентировать на ветер всю установку с концентратором, что требует дополнительной мощности;

- неэффективность при быстро меняющем направление ветре;

- в закрытых конфузорных концентраторах создается подпирающее давление из-за замедления воздушного потока после передачи энергии турбине, и набегающий поток начинает огибать установку, что, в свою очередь, приводит к потере мощности.

Еще одним техническим решением является вихревой концентратор воздушного потока, патент RU2655422C1 опубликован 28.05.2018 года. Вихревой концентратор состоит из ветронаправляющих элементов, у которых выходная кромка корневой части одного ветронаправляющего элемента обращена к входной кромке корневой части следующего ветронаправляющего элемента, образуя окруженную ветронаправляющими элементами рабочую зону, при этом закрутка ветронаправляющих элементов от корневых частей к концевым частям разворачивает выходные кромки и наклоняет ветронаправляющие элементы к указанной рабочей зоне вихревого концентратора.

Воздушные потоки, попадающие в указанный вихревой концентратор, движутся по спирали к рабочей зоне, где располагается турбина. При этом, поскольку потоки стремятся сохранить первоначальное направление движения, они движутся вплотную к внутренним поверхностям ветронаправляющих элементов. Ширина потоков составляет не более 25% от радиуса рабочей зоны. В остальной, центральной части рабочей зоны, радиус которой составляет, соответственно, не менее 75% радиуса всей рабочей зоны, движение воздушных потоков отсутствует. Это свойство характерно для всего класса подобных устройств, формирующих вихревые потоки воздуха.

Вихревой концентратор лишен недостатков предыдущего технического решения:

- не требует ориентации на ветер;

- эффективен даже при быстро меняющем направление ветре;

- благодаря отсутствию закрытых конфузоров или конфузорных каналов, не создается подпирающее давление после передачи части энергии воздушного потока турбине.

Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи расширения рабочего диапазона скорости ветра, повышение надежности ветроустановок с вихревым концентратором.

Поставленная задача решается за счет того, что заявленная адаптивная турбина расположена в рабочей зоне вихревого концентратора и состоит из ступицы с радиально расходящимися из нее штоками с лопастями, каждый из которых имеет привод, отвечающий за перемещение штока из ступицы и обратно. Кроме того, приводы штоков могут быть связаны с системой автобалансировки турбины, штоки могут иметь дополнительный привод, отвечающий за поворот штока вокруг своей оси для изменения угла атаки лопасти, а ступица может быть снабжена обтекателем.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что, во-первых, лопасти адаптивной турбины можно выборочно частично выводить из воздушных потоков, сформированных ветронаправляющими элементами вихревого концентратора, и заводить обратно, меняя воздействие воздушных потоков на каждую лопасть в отдельности, во-вторых, полностью задвигая в ступицу штоки отдельных групп лопастей, можно менять конфигурацию турбины, постепенно преобразуя ее из многолопастной (с быстроходностью менее 3х и стартовой скоростью менее 1 м/с) в трех- и двухлопастную турбину и обратно, без резких и значительных отклонений крутящего момента на валу турбины от номинального значения, и, в-третьих, можно полностью вывести все лопасти из воздушных потоков. Это позволяет более эффективно использовать энергию ветра в широком диапазоне скоростей, а также обеспечивает плавность хода всех движущихся частей в цепочке передачи крутящего момента от турбины к генератору. При полностью втянутых в ступицу штоках воздействие воздушных потоков на лопасти турбины отсутствует, что предотвращает риск поломки лопастей при штормовом ветре. Все это повышает надежность данной турбины и ветроустановки в целом.

Изобретение поясняется рисунками, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.

На рисунке Фиг.1 показан общий вид адаптивной турбины с двенадцатью штоками с лопастями и вихревого концентратора с шестью ветронаправляющими элементами. За формирование воздушных потоков в области, ометаемой адаптивной турбиной, отвечают ветронаправляющие элементы вихревого концентратора (1). Адаптивная турбина состоит из ступицы (2) с радиально расходящимися из нее штоками (3) с лопастями (4), каждый из которых имеет привод (5), отвечающий за перемещение штока (3) из ступицы (2) и обратно.

На рисунке Фиг.2 показана адаптивная турбина с конфигурацией лопастей (4) 6/6 – с шестью полностью выдвинутыми штоками (3) и с шестью штоками (3) полностью задвинутыми в ступицу (2).

Адаптивная турбина может быть изготовлена следующим образом.

Ступица (2) может быть изготовлена из металлоконструкций, обшитых полимерными или композитными материалами. Цилиндры штоков (3) могут быть изготовлены из нержавеющей стали, а сами штоки (3) могут быть изготовлены из труб, как из нержавеющей стали, так и из композитных материалов. Лопасти (4) могут быть изготовлены из композитных материалов. Приводы (5) штоков (3) могут быть как гидравлическими, так и электромеханическими.

В первом случае используется двухпоточная гидроразводка, управляемая при помощи золотников. Гидронасос может быть один или несколько, в зависимости от организации гидроразводки – с разбивкой цилиндров штоков на группы для распределения мощности, необходимой для управления адаптивной турбиной, или без разбивки.

Во втором случае приводы могут состоять из сервомоторов и червячных передач, где вдоль цилиндров штоков с двух противоположных боковых сторон (чтобы не было перекосов при перемещении) размещены зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят червяки, приводимые во вращение сервомоторами. Первый вариант более дешевый, а второй более точный в позиционировании штоков.

Адаптивная турбина работает следующим образом.

Захваченные воздушные потоки направляются ветронаправляющими элементами вихревого концентратора (1) таким образом, что максимальное воздействие на лопасти (4) адаптивной турбины воздушные потоки оказывают только при полностью выдвинутых штоках (3) из ступицы (2), так как линейная скорость воздушных потоков максимальна у внешнего края ометаемой адаптивной турбиной области и уменьшается до нуля при продвижении к центру указанной области. Это позволяет приводам (5) штоков (3) полностью или частично выводить лопасти (4) турбины из-под воздействия воздушных потоков, сохраняя крутящий момент на валу постоянным и равным номинальному значению как при слабом ветре, менее 7 м/с, так и при ветре выше 12 м/с. При этом каждое перемещение штоков (3) контролируется посредством обратной связи системой автобалансировки, что исключает разбалансировку турбины и снижает нагрузку на подшипники вала турбины, увеличивая их срок службы. Также, наличие системы автобалансировки снижает требования по качеству изготовления и калибровке каждой лопасти (4), что уменьшает стоимость адаптивной турбины при серийном производстве.

1. Адаптивная турбина, характеризующаяся тем, что расположена в рабочей зоне вихревого концентратора и состоит из ступицы с радиально расходящимися из нее штоками с лопастями, каждый из которых имеет привод, отвечающий за перемещение штока из ступицы и обратно.

2. Адаптивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что приводы штоков связаны с системой автобалансировки турбины.

3. Адаптивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что штоки имеют дополнительный привод, отвечающий за поворот штока вокруг своей оси для изменения угла атаки лопасти.

4. Адаптивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что ступица может быть снабжена обтекателем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу эксплуатации ветроэнергетических установок (100), в частности, парка (112) ветровых установок, парку (112) ветровых установок, а также ветроэнергетической установке (100) для осуществления такого способа.

Изобретение относится к измерительной системе для ветроэнергетической установки (100) для определения силы (220) тяги ротора. Измерительное устройство определяет первый изгибающий момент башни (102) на первой высоте и второй изгибающий момент башни (102) на второй высоте, отличающейся от первой высоты.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение управления генератором электрической энергии при неисправном состоянии сети для предупреждения потенциального отключения сети.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – повышение стабилизации сетей при изменении ситуации в структуре или топологии сети электроснабжения.

Изобретение относится к способу для вывода заданного значения (54) регулятора для по меньшей мере одного генератора (200) энергии, в частности по меньшей мере одной ветроэнергетической установки (100) или по меньшей мере одного ветряного парка (112), или по меньшей мере одного регулятора (18) кластера.

Изобретение относится к ветрогенераторным установкам. Ветряное колесо содержит лопасти с внутренним каналом, в которых размещен груз, закрепленный у основания с помощью пружины, и постоянные магниты, таким образом, что при увеличении скорости вращения груз удерживается пружиной и первым постоянным магнитом на малом расстоянии от центра вращения, обеспечивая минимальный момент инерции для более быстрого разгона.

Изобретение относится к ветрогенераторным установкам. Ветряное колесо содержит лопасти с внутренним каналом, в которых размещен груз, закрепленный у основания с помощью пружины, и постоянные магниты, таким образом, что при увеличении скорости вращения груз удерживается пружиной и первым постоянным магнитом на малом расстоянии от центра вращения, обеспечивая минимальный момент инерции для более быстрого разгона.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветротурбина, установленная на главном горизонтальном валу, содержит аэродинамические крылья, закрепленные на штангах, и механизм изменения углов атаки α крыльев.

Настоящее изобретение относится к ветроэнергетике. Лопастное колесо с одним ободом для ветротурбинной генераторной установки содержит камеру (5) регулировки лопастей; обод (1) ветрового колеса, расположенный вокруг камеры (5) регулировки лопастей; лопастной блок, включающий корпус (2) лопасти и лопастной вал (9), проходящий вдоль всей длины корпуса (2) лопасти от одного конца к другому; и внешний конец лопастного вала (9) установлен на ободе ветрового колеса с возможностью поворота, а его внутренний конец расположен внутри камеры (5) регулировки лопастей; и вращающий элемент и элемент передачи, расположенные в камере (5) регулировки лопастей, причем элемент передачи выполнен с возможностью передачи мощности, производимой за счет поворота вращающего элемента, к внутреннему концу лопастного вала (9) для управления углом атаки корпуса (2) лопасти, а также включает опорное основание (6), расположенное с подветренной стороны камеры (5) регулировки лопастей; и наклонный опорный стержень (4), одним концом неподвижно прикрепленный к опорному основанию (6), а другим концом неподвижно прикрепленный к ободу (1) ветрового колеса.

Изобретение относится к способу подачи электрической мощности имеющего несколько ветроэнергетических установок (100) ветрового парка (112) в сеть (120) электроснабжения, при этом каждая ветроэнергетическая установка (100) предоставляет электрическую мощность установки (PA), и сумма всех предоставляемых мощностей (PA) подается в качестве мощности парка (PP) в сеть (120) электроснабжения, и для каждой ветроэнергетической установки (100) задается заданное значение (PAsoll) установки для задания подлежащей предоставлению мощности (PA) установки, и заданное значение (PAsoll) установки регулируется с помощью регулятора (R1, R2) в зависимости от регулировочного отклонения (ΔР) в виде сравнения подаваемой парковой мощности (PPist) с заданным значением (PPsoll) подлежащей подаче парковой мощности (PP).

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии. Гелиоветровая энергетическая установка содержит лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины и фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке.

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии. Гелиоветровая энергетическая установка содержит лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины и фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветроэнергетическая установка содержит вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной секции с нагревательным элементом и с проемами для захода воздуха, средней цилиндрической и верхней диффузорной секций, турбину и электрогенератор, размещенные в средней цилиндрической секции трубы, а также дефлектор с патрубком, расположенный над выходным устьем трубы.

Изобретение относится к способу управления положением лопастей лопастной системы ветроэлектростанции. Способ управления положением лопастей лопастной системы ветроэлектростанции, имеющей вертикальную ось вращения, характеризуется тем, что лопасти закрепляют с возможностью вращения на валу и выполняют с возможностью изменять их положение относительно оси их вращения таким образом, что с одной стороны от вертикальной оси вращения лопастной системы лопасть расположена перпендикулярно направлению воздушного потока, поступающего на лопастную систему, а с другой стороны параллельно, обеспечивают разворот лопастей на 90° при переходе лопастей с одной стороны лопастной системы относительно оси её вращения на другую посредством устройства разворота лопастей.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Вертикально-осевая ветротурбина содержит ветроротор с базой для лопастей и лопастями, закрепленный на вертикальном валу, оперение, покрытие нерабочей стороны ветроротора, соосное с валом и выполненное с возможностью ориентации по ветру оперением в горизонтальной плоскости, противовесы оперения и покрытия, снабжена профилированным в виде антикрыла держателем противовеса покрытия, находящимся снизу ветроротора.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Вертикально-осевая ветротурбина содержит ветроротор с базой для лопастей и лопастями, закрепленный на вертикальном валу, оперение, покрытие нерабочей стороны ветроротора, соосное с валом и выполненное с возможностью ориентации по ветру оперением в горизонтальной плоскости, противовесы оперения и покрытия, снабжена профилированным в виде антикрыла держателем противовеса покрытия, находящимся снизу ветроротора.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроагрегат содержит роторные ветропреобразователи с вертикальной осью вращения.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроагрегат содержит роторные ветропреобразователи с вертикальной осью вращения.

Изобретение относится к ветроэнергетическим устройствам. Двухсторонний ветрогенератор включает электрогенератор, оснащенный с двух сторон шкивами с лопастями, расположенными на валу, установленный на крыше электромобиля, содержащего аккумуляторные батареи.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Роторный ветродвигатель состоит из вала 1, установленного горизонтально, рабочими органами которого являются закрепленные на нем рабочие лопасти 2, конструктивно представляющие собой в совокупности ротор 3.
Наверх