EA006361B1

EA006361B1 - Усовершенствованная турбина

Info

Publication number: EA006361B1
Application number: EA200401592A
Authority: EA
Inventors: Артур Бенджамин О'Коннор; Том Лундгаард Педерсен
Original assignee: Артур Бенджамин О'Коннор
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2005-12-29
Also published as: CN1623036A; EP1507974A4; AU2003205021B1; RS51353B; WO2003102411A1; CR7599A; MEP9909A; AUPS266702A0; NO329630B1; JP2005528557A; KR100659591B1; JP4174473B2; YU104204A; EA200401592A1; CA2487108C; GEP20064004B; BR0311312B1; HRP20041140A2; MXPA04011735A; BR0311312A

Abstract

Турбина (30), работающая на текучей среде, для использования энергии движущейся текучей среды, особенно пригодная для использования в качестве ветротурбины, включает ротор (32), установленный на несущей конструкции (31) для вращения вокруг горизонтальной оси (39), причем ротор (32) имеет множество лопаток (37), отступающих вперед и наружу от ступицы (36), и кольцевой обтекатель (38), прикрепленный к внешним концам лопаток (37) и вращающийся вместе с лопатками (37) концентрически вокруг оси. Кольцевой обтекатель (38) имеет по меньшей мере в одном периферийном местоположении радиальное сечение, конфигурированное для создания при работе кругового потока (60) вокруг поперечного сечения в таком направлении, чтобы увеличивать скорость потока текучей среды между кольцевым обтекателем (38) и ступицей (36).

Description

Настоящее изобретение относится, в целом, к турбине, работающей на текучей среде. В частности, изобретение относится к ветротурбине, хотя она может также приводиться в действие другими текучими средами, такими как вода.

Предпосылки изобретения

Устройства для использования энергии ветра известны сотни лет. Первые типы, известные как ветряные мельницы, использовались для приведения в действие жерновов для перемалывания зерна и подобных приспособлений. В типичном случае, они имели ротор с некоторым количеством радиальных лопастей или парусов из ткани и средства для ориентирования ротора против ветра, когда это требуется, и для флюгирования или свертывания лопастей или парусов, когда их работа не требуется, или при сильных ветрах. Они были несовершенны и имели низкую эффективность. Многие имели существенные размеры для генерирования полезных количеств механической энергии.

Сельскохозяйственные и другие варианты применения, в которых необходима работа механических устройств, таких как насосы, потребовала разработки новых и усовершенствованных устройств для использования энергии ветра. До сих пор широко встречающимся примером является ветродвигатель, используемый для откачивания воды из скважин для создания запаса на ферме. Такие устройства, в типичном случае, имеют ротор с определенным количеством расположенных на нем простых лопастей из листового металла и механический привод с прямой зубчатой передачей. В типичном случае, они имели (и имеют) ротор меньшего диаметра и большую эффективность, чем более ранние ветряки, и их роторы работают с несколько большими скоростями. Для поворота ротора по ветру и для надлежащей его ориентации для исключения повреждения при сильных ветрах применяют устройства со стабилизатором.

С развитием электрических технологий были разработаны устройства для преобразования энергии ветра в электрическую энергию при помощи генераторов. Это направление началось с устройств небольшого масштаба, используемых для электроснабжения в удаленных районах, но теперь стало более важным при использовании многих устройств крупного масштаба для питания обширных электроэнергетических систем наряду с электростанциями, работающими на угле, и с электростанциями других типов. Расширение познаний о потоках текучей среды в 19-м и 20-м веках привело к разработке новых типов устройств и лучших методик проектирования. Термин ветродвигатель уступил место термину ветротурбина, поскольку для большинства вариантов применения сами устройства становились все сложнее и масштабнее.

Хотя были разработаны устройства, в которых ось вращения ротора ориентирована вертикально (например, хорошо известные типы Эагпеих и §ауоши8). наиболее распространенный тип ветротурбин имеет ротор с горизонтальной осью вращения и небольшое количество радиальных лопастей, при этом ротор выглядит похожим на пропеллер самолета. Такие ветротурбины имеют очень большие размеры и очень сложную конструкцию.

Однако использование большого количества турбин этого типа для генерирования электроэнергии все же экономически малорентабельно и является спорным вследствие их размера, их часто непривлекательного вида, их шумности и даже создания ими помех радиочастотным передачам, вызванных большими вращающимися лопастями. Кроме того, сама их сложность создает проблему дороговизны и сложности текущего обслуживания, что существенно влияет на затраты за срок службы и даже на возможность их использования в некоторых местах, где нет людей, способных их обслуживать.

Настоящее изобретение нацелено на эти проблемы. Описанная здесь ветротурбина относительно проста по конструкции, прочна, проста и относительно недорога в производстве и обслуживании при заданных размерах. Кроме того, как представляется, она имеет неожиданно хорошую эффективность и может производить полезные количества энергии для заданного диапазона размера и стоимости. Кроме того, как представляется, она имеет удовлетворительные характеристики по шумности и приемлемый внешний вид. Хотя она необязательно имеет теоретически возможную наивысшую эффективность, представляется, что ветротурбина, соответствующая настоящему изобретению, составляет пригодную альтернативу другим доступным типам благодаря такой комбинации характеристик.

Описание известного уровня техники

Настоящее изобретение было задумано в попытке усовершенствовать ветротурбину, описанную СоЬбеп в патенте США № 4415306 и патенте Австралии № 563265 (далее называется ветротурбиной СоЬбеп). Как описано ниже, это устройство радикально отличается от обычных ветротурбин с горизонтальной осью быстроходного типа, имеющих две или три радиальные лопасти пропеллерного типа, часто используемые для генерирования электроэнергии, и тихоходного типа, имеющих большее количество радиальных лопастей и, в типичном случае, представленных сельскохозяйственными ветродвигателями, используемыми для перекачивания воды. Хотя она малошумная и имеет приемлемый внешний вид, представлялось, что характеристики турбины СоЬбеп можно было бы улучшить.

Ветротурбины, подобные турбине СоЬбеп, были описаны Ау1ог в патенте США № 4785123, как обладающие большей эффективностью. Один вариант, очень подобный турбине СоЬбеп, имел множество лопаток, расположенных по периферии ротора так, что их длина ориентирована параллельно оси вращения ротора, при этом обтекатели направляют воздух радиально через лопатки. В другом варианте ротор

- 1 006361 имеет лопатки, отступающие вперед и наружу от ступицы, при этом воздух проходит через лопатки наружу и назад. В обоих вариантах были заданы конкретные соотношения между входными и выходными областями и направлениями потоков воздуха, дополнительно указанные ниже. Ни один из этих вариантов не считается очень недорогим или простым в производстве вследствие требуемой конфигурации отражателя (отражателей) воздушного потока и корпуса, несущего ротор. Патент США № 4684316 (Кагккои) описывает в некоторой степени подобное устройство, которое, как представляется, имеет высокую стоимость и большие размеры, а также вызывает высокие аэродинамические потери от невращающихся частей, расположенных перед ротором.

Было описано много ветротурбин, в которых может быть получена более высокая эффективность по сравнению с обычными типами благодаря заключению ротора с лопатками в канал с диффузорной секцией, расположенной после ротора. Это обеспечивает более быстрый поток через лопатки, которые, соответственно, могут быть более эффективными для генерирования энергии, и снижение потерь на концах лопаток. Некоторые примеры даны в патентах США №№ 4021135, 4075500, 4132499, 4324985, 4422820.

Однако Кйид в патенте № 4147472 указывает, что стоимость большинства устройств с каналами приводит к их экономической непривлекательности, даже когда получено улучшение характеристик по производительности. К1шд описывает бандажированный ротор очень небольшого размера с бандажом в форме кольца с аэродинамическим профилем, создающим подъемные силы, которые действуют радиально внутрь. Кольцо прикреплено к радиальным лопаткам обычного типа и вращается вместе с ними. Кольцо немного длиннее в направлении потока, чем сами лопатки, и может быть относительно недорогим. Как отмечено, эффект бандажа заключается в создании тороидального вихревого потока, который повышает скорость потока через лопатки без необходимости в использовании длинного диффузора после лопаток. Бандаж описан как дополнение к обычным роторам ветротурбин с радиальными лопатками.

Краткое описание изобретения

Согласно изобретению получена турбина, работающая на текучей среде, для использования энергии движущейся текучей среды, включающая ротор, установленный на несущей конструкции для вращения вокруг горизонтальной оси, причем ротор имеет множество лопаток, проходящих вперед и наружу от ступицы; и кольцевой обтекатель, прикрепленный к внешним концам лопаток и вращающийся с лопатками вокруг указанной оси, причем кольцевой обтекатель расположен концентрически относительно указанной оси вращения, причем кольцевой обтекатель имеет по меньшей мере в одном периферийном местоположении на нем радиальное сечение, конфигурированное для создания при работе турбины кругового потока вокруг указанного сечения в таком направлении, чтобы увеличивать скорость потока текучей среды между кольцевым обтекателем и ступицей.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере в одном периферийном местоположении на кольцевом обтекателе указанный кольцевой обтекатель создавал при работе турбины аэродинамическую силу, направленную внутрь и назад от кольцевого обтекателя.

Предпочтительно, кольцевой обтекатель имеет единообразное сечение, по существу, по всей периферии кольцевого обтекателя.

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения указанное сечение кольцевого обтекателя имеет такие конфигурацию, размеры и ориентацию, что указанный круговой поток достаточен для, по меньшей мере, частичной компенсации этого изменения направления потока текучей среды относительно лопатки вследствие увеличения тангенциальной скорости лопатки с увеличением радиуса лопатки.

Ступица может иметь, по существу, коническую форму с углом при вершине в диапазоне от 60 до 120°. Более предпочтительно, указанный угол при вершине находится в диапазоне от 80 до 100°. Коническая ступица дает преимущество простоты изготовления.

Задние кромки лопаток при работе турбины предпочтительно описывают, по меньшей мере, приблизительно коническую поверхность. Указанная коническая поверхность предпочтительно пересекает внешнюю поверхность ступицы приблизительно под углом 90° при взгляде на сечение обеих указанных поверхностей в радиальной плоскости, которая включает указанную ось вращения. Это наилучшим образом обеспечивает то, что поток вблизи внутренних концов лопаток проходит, по существу, поперек них. Однако указанная коническая поверхность может пересекать внешнюю поверхность указанной ступицы под углом в диапазоне приблизительно от 75 до 90° при взгляде на сечение обеих указанных поверхностей в радиальной плоскости, включающей указанную ось вращения.

Представляется удовлетворительным (хотя и не необходимым), если каждая лопатка имеет, по существу, постоянную конфигурацию поперечного сечения по ее длине.

Каждая лопатка может иметь аэродинамический профиль поперечного сечения. Однако каждая лопатка может быть сформирована из листового материала и может иметь дугообразное поперечное сече

- 2 006361 ние. Оно может быть удовлетворительным приближением к аэродинамическому профилю и дает преимущество простоты конструкции.

По меньшей мере, когда требуется низкая стоимость, каждая лопатка предпочтительно, по существу, не закручена по ее длине.

Предпочтительно, чтобы сечение кольцевого обтекателя имело, по меньшей мере, приблизительно аэродинамический профиль. Предпочтительно, указанный аэродинамический профиль имеет линию кривизны, которая вогнута на его стороне, которая противоположна лопаткам. Однако кольцевой обтекатель может быть сформирован из листового материала, при этом поперечное сечение кольцевого обтекателя будет иметь дугообразный профиль. В таком случае предпочтительно, чтобы указанный дугообразный профиль был вогнут на его стороне, которая противоположна лопаткам.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения кольцевой обтекатель в поперечном сечении имеет переднюю кромку и заднюю кромку, и расстояние, при взгляде на радиальную плоскость, включающую указанную ось вращения, между указанными передней и задней кромками меньше, чем удвоенная максимальная длина хорды каждой лопатки. То есть кольцевой обтекатель имеет очень небольшой размер в направлении потока текучей среды.

Теперь изобретение будет описано более подробно со ссылками на предпочтительный вариант его осуществления, хотя описанный вариант не вносит ограничений в объем изобретения. В описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 - перспективный вид ветротурбины известного уровня техники;

фиг. 2 - вид сечения ветротурбины, показанной на фиг. 1, выполненной в вертикальной плоскости, включающей ось вращения ротора турбины;

фиг. 3 - вертикальный вид сбоку с частичным сечением ветротурбины, соответствующей настоящему изобретению, выполненным в вертикальной плоскости, включающей ось вращения ротора турбины;

фиг. 4 - вертикальный вид сбоку ветротурбины, показанной на фиг. 3, установленной на вышке для ее использования;

фиг. 5 - вертикальный вид спереди ветротурбины, показанной на фиг. 3, установленной на вышке для ее использования;

фиг. 6 - вертикальный вид спереди ротора ветротурбины, показанной на фиг. 3, с видимыми очертаниями скрытой части лопаток;

фиг. 7 - вид сечения ротора, показанного на фиг. 6, выполненного по линии А-А на этой фигуре;

фиг. 8 - частичный вид ступицы и одной лопатки ротора, показанного на фиг. 7, при взгляде в направлении стрелки В на этой фигуре;

фиг. 9 - вид поперечного сечения лопатки, показанной на фиг. 8, выполненного по линии Р-Р на этой фигуре;

фиг. 10 - вид поперечного сечения в одной периферийной точке кольцевого обтекателя ротора, показанного на фиг. 7;

фиг. 11 - график сравнения коэффициентов мощности нескольких ветротурбин, включая ветротурбину, показанную на фиг. 3;

фиг. 12 - график, показывающий коэффициент мощности, как функцию коэффициента скорости конца лопатки для масштабной модели вращающейся части турбины, показанной на фиг. 3, при абсолютной скорости ветра, составляющей 41 км/ч;

фиг. 13 - график, показывающий коэффициент мощности, как функцию коэффициента скорости конца лопатки для масштабной модели вращающейся части турбины, показанной на фиг. 3, при абсолютной скорости ветра, составляющей 46 км/ч.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

На фиг. 1 и 2 показана ветротурбина 1, описанная СоЬбеи в патенте США № 4415306 и в патенте Австралии № 563265 (ветротурбина СоЬбеи).

На этих фигурах показан турбинный блок 1, имеющий рабочее колесо 2, установленное на валу 3, удерживаемом подшипником 4. Подшипник 4 удерживается рамой 5, при этом турбинный блок 1 установлен на валу, удерживаемом подшипником 7. Привод от рабочего колеса 2 турбины в данном варианте является фрикционным колесом 8, прикрепленным к приводному валу 9, который проходит вниз через основание 6 и от которого может быть получена энергия.

Рабочее колесо 2 турбины несет множество лопаток 10, к которым прикреплен передний обтекатель 11. Лопатки 10 прикреплены к рабочему колесу 2 турбины и выступают вперед, удерживая на их передних концах обтекатель 11, который, таким образом, вращается вместе с лопатками 10. В этом примере лопатки 10 сформированы из листового металла с концевыми фланцами 21, которыми лопатки 10 крепятся к рабочему колесу 2 турбины и к которым прикреплен обтекатель 11.

Рабочее колесо 2 турбины также снабжено конической отклоняющей поверхностью 20, которая также установлена на валу 3 и соединяется с рабочим колесом 2 турбины вблизи лопаток 10.

Турбинный блок 1 также включает полый, имеющий аэродинамическую форму корпус 12 и хвостовую стабилизирующую часть 13, устроенную так, что турбинный блок 2 будет быстро и постоянно ори

- 3 006361 ентироваться по превалирующему потоку воздуха (то есть вал 3 будет выровнен относительно направления воздушного потока).

Два преимущества турбины 1 СоЬбеи по сравнению с предшествующими ветротурбинами составляли их относительно простую конструкцию, в частности, в отношении конфигурации лопаток и ее малошумную работу. При разработке современных ветротурбин считалось желательным сохранить эти преимущества.

На фиг. 3 показана ветротурбина 30, соответствующая предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, в виде, эквивалентном виду, показанному на фиг. 2. Ветротурбина 30 включает ряд отличительных признаков, которые подобны указанным относительно ветротурбины СоЬбеи, показанной на фиг. 1 и 2. Однако несколько признаков существенно отличаются.

Подобно турбине 1 СоЬбеи, ветротурбина 30 включает полый корпус 31. Ротор 32 установлен на валу 33 на переднем конце корпуса 31, при этом вал 33 удерживается подшипниками (не показаны) внутри корпуса 31 для обеспечения вращения вокруг оси 39. Вал 33 может использоваться для приведения в действие электрического генератора, насоса или другого потребляющего энергию устройства (не показано), как необходимо, известным образом. На фиг. 4 и 5 показана турбина 30, установленная на вышке 34 для ее использования. Турбина 30 установлена таким образом, чтобы она могла вращаться вокруг вертикальной оси 35 на вышке, и стабилизатор 36 установлен на стреле 45 для автоматической ориентации турбины 30 по направлению 41 ветра, то есть таким образом, чтобы вал 33 и направление 41 ветра были совмещены известным образом. Стабилизатор 36 и стрела 45 расположены так, чтобы они могли поворачиваться вокруг вертикальной оси 61 для получения изменяемого угла между осью 39 и направлением ветра, когда требуется, для исключения скорости, превышающей допустимую, в условиях сильного ветра, или достигающей точки, когда ротор прекращает вращаться как единое целое, для исключения повреждения в экстремальных условиях. Предпочтительно, используют пригодный контроллер (не показан), основанный на микропроцессоре или подобном средстве и запрограммированный для автоматического изменения угла, когда турбина 30 работает, посредством приведения в действие пригодного механического привода (не показан), который поворачивает стабилизатор 36 и стрелу 45.

В ходе работы ось 39 остается в горизонтальном положении. Ротор 32 включает коническую ступицу 36 и отступающие наружу и вперед от ступицы 36 лопатки 37. Лопатки 37 отдельно не показаны на фиг. 3 или 4. Вместо этого, показано сечение в вертикальной плоскости, включающей ось 39 и объем 44 (показан заштрихованными участками) в форме конической поверхности, описываемой лопатками 37 при вращении ротора 32. Каждая лопатка 37 прикреплена ее передним и внешним концом к кольцевому обтекателю 38, который расположен концентрически относительно оси 39 и ступицы 36 таким образом, что кольцевой обтекатель 38 вращается вместе со ступицей 36 и лопатками 37. Плоскость кольцевого обтекателя 38 перпендикулярна оси 39.

На фиг. 6 и 7 показаны вертикальные виды спереди и сбоку только ротора 32, теперь с показанными отдельными лопатками. На фиг. 6 и 7 некоторые скрытые линии оставлены видимыми, и на фиг. 7 деталь конструкции внутри ступицы 36 опущена. Предусмотрены тридцать (30) лопаток 37. Лопатки 37 равномерно разнесены по периферии, имеют одинаковые хорды и не закручены по их длине. Лопатки 37 отступают почти перпендикулярно от конической поверхности 42 ступицы 36 вблизи задней кромки 43 ступицы 36. Ступица 36 имеет форму конуса с углом V при вершине, составляющим 90°.

На фиг. 8 показана одна лопатка 37а на ступице 36. Все лопатки 37, включая лопатку 37а, идентичны и установлены на ступице 36 одинаково. Лопатка 37а установлена таким образом, что ее задняя кромка 46 наклонена под углом 6,5° к радиальной плоскости 51, которая содержит ось 39 при взгляде в направлении, показанном стрелкой В. Стрелка 47 показывает направление вращения ротора 32. Задняя кромка 46 при вращении ротора 32 описывает коническую поверхность с углом при вершине, составляющим 90°.

На фиг. 9 показан вид поперечного сечения лопатки 37а (только), показывающий, что постоянное поперечное сечение лопатки 37а является просто сектором окружности. Также показано угловое положение лопатки 37а относительно воображаемой плоскости 48, содержащей заднюю кромку 46, и линия 51, проходящая от вершины ступицы 36 вдоль ее конической поверхности к задней кромке 46 лопатки 37а. Лопатки 37, имеющие поперечное сечение в форме простых дуг окружности, могут быть легко выполнены из листового металла для простоты и снижения стоимости. Как показано, каждая из них приварена точечной сваркой к монтажному кронштейну 49 для хвостовика лопатки и к монтажному кронштейну 50 для конца лопатки, причем кронштейны 49 и 50 привинчены, соответственно, к ступице 36 и к кольцевому обтекателю 38. Следует отметить, что лопатки 37 могут быть выполнены из листового материала в дугообразных конфигурациях, в которых радиус кривизны изменяется между передней и задней кромками.

На фиг. 10 показано поперечное сечение кольцевого обтекателя 38 в типичной периферийной точке. При взгляде на поперечное сечение, выполненное по его диаметру, кольцевой обтекатель 38 имеет конфигурацию аэродинамического профиля 40, расположенного таким образом, что любая аэродинамическая подъемная сила, возникающая в точке кольцевого обтекателя 38, направлена внутрь и назад, когда

- 4 006361 ось 39 выровнена относительно направления 41 ветра. Кольцевой обтекатель 38 имеет одинаковый аэродинамический профиль 40 по всей его окружности. Внешняя поверхность 52 в форме усеченного конуса аэродинамического профиля 40 в сечении расположена под углом 30° к направлению оси 39. Линия 55 кривизны аэродинамического профиля 40 выгнута внутрь и назад таким образом, что аэродинамические подъемные силы направлены внутрь и назад. Для широкого диапазона размеров пригодным способом изготовления кольцевого обтекателя 38 с аэродинамическим профилем 40 является использование профиля 56 из стеклопластика и кольца 57 из листового металла. Однако для специалистов в данной области техники будет очевидно множество других возможностей. Представляется, что даже простое кольцо из листового металла, имеющее линию кривизны, подобную линии 55, может давать приемлемые характеристики с уменьшенными расходами.

Полый корпус 31 ветротурбины 30 имеет простую цилиндрическую переднюю часть 58 и обтекаемую заднюю секцию 59. Следует отметить, что передняя часть 58 не является обтекаемой, чтобы она сочеталась с контуром ступицы 36. Эта мера позволяет получить меньший и менее дорогой полый корпус, чем было бы в другом случае.

Конкретная геометрия описанной выше турбины 30 была использована для детального компьютерного моделирования ее характеристик. Этот подход в настоящее время может обеспечивать получение достоверных оценочных данных о фактических характеристиках турбины. Это было проделано в отношении турбины СоЬбеп, как описано в патенте США № 4415306. Вычисленные на компьютере характеристики турбины 30 и турбины СоЬбеп были сравнены друг с другом и с опубликованными данными некоторых ветротурбин других типов.

Как хорошо известно, ветротурбину можно рационально сравнить с другими посредством определения ее безразмерного коэффициента мощности как функции ее безразмерного коэффициента окружной скорости конца лопатки. Если эти величины являются последовательно определенными между устройствами, их можно непосредственно сравнивать независимо от размеров.

Безразмерный коэффициент С_р мощности определен как

и безразмерный коэффициент окружной скорости конца лопатки (Т8В) определен как

Т8К = ^ и где Р - это генерируемая мощность, ρ - это плотность воздуха,

А - это площадь проектированной поверхности турбины по нормали к свободному потоку, и - это скорость свободного потока воздуха,

Во - это внешний радиус генератора и ω - это угловая скорость кольца лопаток.

На фиг. 11 показаны результаты сравнения характеристик описанной здесь ветротурбины, некоторых известных других турбин и идеального результата. Показанные кривые представляют следующее:

Бауошик - результаты испытаний в аэродинамической трубе ротора 8ауоп1и5 с двумя лопастями, описанного В1асктее11 и др. в 8апб1а БаЬогаЮпек Верой № 8ΑΝΏ76-0131, июль 1997г. (от фиг. 15 этого доклада);

Эагпещ - полномасштабные эксплуатационные данные для расположенной на высоте 17 м ветротурбины, описанной \Уогйе11 в докладе 8апФа №10опа1 БаЬогаЮпек № 8ΑΝΏ79-1753 (от фиг. 2 этого доклада);

СоЬбеп - результаты испытаний в аэродинамической трубе турбины СоЬбеп, описанные АкЬагхабек и др. из Воуа1 Ме1Ьоигпе 1п81йи1е оГ Тескпо1оду, Аи&гака, Эераг1теп1 оГ МапиГасШгшд апб Ргосекк Епдтеегшд;

О1аией Боте 8рееб и О1аией Н1дП 8рееб - результаты испытаний моделей тихоходной и быстроходной ветротурбин обычного пропеллерного типа, упомянутых в Аегобупатю Ткеогу, ^.Е. Эигапб ебког, Эоуег РиЬБсайопк 1пс, Э|у15юп Б, Скар1ег 11, Идите 103 (со значениями коэффициента мощности, скорректированными для компенсации отличия определения этой величины, используемого О1аией, и, таким образом, для получения возможности правильного сравнения с другими показанными кривыми);

идеальный - теоретический предел характеристик для идеальной ветротурбины обычного пропеллерного типа, показанной также О1аией на фиг. 103 указанной выше ссылки;

согласно изобретению - кривая оценочных характеристик, подготовленная инженерамиконсультантами из \УВМ Р1у Б1б на основе результатов компьютерного газодинамического моделирования для описанной здесь ветротурбины, выполненного с использованием программы Ииеп! 5.5.

\УВМ Р1у Б1б также выполнила моделирования для модели ветротурбины СоЬбеп с использованием патентованной программы, известной как Ииеп! 5.5, в качестве контрольных данных, показавших хорошую согласованность с экспериментальными результатами, показанными на фиг. 11.

Следует отметить важность кривой идеальные характеристики. Она основана на упрощенной теории ветротурбин пропеллерного типа по Век (см. указанную выше ссылку на С1аиег1, описывающую эту

- 5 006361 теорию) и, в сущности, является верхней огибающей пиковых коэффициентов мощности, к которым могли бы приближаться такие устройства, если бы могли быть реально получены идеальные характеристики. Ветротурбина пропеллерного типа, в частности, имеющая геометрию с фиксированными лопастями, не может обеспечивать приближение к этой кривой во всем диапазоне коэффициентов окружной скорости конца лопасти, что проиллюстрировано разностями результатов для быстроходной и тихоходной турбин, данных С1ансг1. Кривые на фиг. 11 (отличные от идеальной кривой) даны для конкретных геометрий роторов, и представляется, что они представительны для практически существующих в данной области. Однако все кривые могут быть в определенной степени модифицированы посредством модифицирования геометрии ротора.

На фиг. 11 показано, что ветротурбина 30 будет иметь значительно лучшие характеристики по генерированию энергии, чем турбины СоЬбеи и δανοηίιιχ. Кроме того, характеристики в целом превосходят характеристики тихоходной турбины, на которую ссылается О1аией. При коэффициенте окружной скорости конца лопатки, равном 1, вырабатывается приблизительно 80% максимально доступной энергии (на основе идеальной кривой). Турбины, предназначенные для работы со сравнительно высокими коэффициентами окружной скорости конца лопатки, как известно, обычно имеют более высокую эффективность, но также имеют более низкий момент трогания (см. приведенную выше ссылку на О1аией), причем последнее является недостатком на практике вследствие проблем трогания при слабых ветрах. Другое преимущество тихоходных турбин состоит в том, что они могут быть более прочными, надежными и более простыми в обслуживании, что демонстрируют обычные сельскохозяйственные ветродвигатели (тихоходный пример турбины 01аиег1 может быть представительным в отношении таких ветродвигателей).

Даже допуская тот факт, что современная обычная тихоходная конструкция могла бы работать в некоторой степени лучше, чем упомянутая турбина О1аиеП. ожидаемые характеристики ветротурбины 30 удивительны, особенно в отношении простоты конструкции предложенной турбины, например ее простых, незакрученных лопаток и простых форм полого корпуса 31 и ступицы 36. Несомненно, могут быть получены дополнительные преимущества за счет использования лопаток с более сложным аэродинамическим профилем, когда расходы оправданы.

Для, по меньшей мере, частичного подтверждения характеристик ветротурбины, показанной на фиг. 3, была изготовлена масштабная модель вращающейся части и испытана в большой аэродинамической трубе. Линейный масштабный коэффициент модели составлял 13,7% полного размера. Коэффициент мощности измерялся как функция коэффициента окружной скорости конца лопатки (обе величины были определены как указано выше) при нескольких абсолютных скоростях ветра (скорректированных на блокирование потока трубой). На фиг. 12 и 13 показаны результаты, полученные при скорректированных абсолютных скоростях ветра, составляющих 41 и 46 км/ч, соответственно. Два набора результатов соответствуют числам Рейнольдса (на основе концевой хорды лопаток вентилятора), составляющим 32,9х10³ и 36,9х10³, соответственно. Число Рейнольдса отображает относительную значимость аэродинамических сил и сил сопротивления воздуха и доведено до возможно максимального значения при испытаниях в таком небольшом масштабе для возможно максимального приближения к этому значению для полномасштабного устройства (в нормальных условиях невозможно достичь полномасштабного числа Рейнольдса). Результаты двух чисел Рейнольдса действительно отличаются в том, что они предполагают (посредством экстраполяции), что с использованием полномасштабного устройства могут быть достигнуты еще более высокие характеристики (поскольку с более высоким числом Рейнольдса были получены более высокие характеристики). Результаты показывают, что турбина, показанная на фиг. 3, может иметь отличные характеристики. Это показано посредством сравнения результатов с результатами, показанными на фиг. 11.

Ниже следует описание работы ветротурбины 30 и факторов, которые представляются наиболее вероятными с точки зрения ее неожиданно хороших характеристик.

Когда турбина 30 обращена против ветра, воздух проходит в направлении по оси 39 через кольцевой обтекатель 38. В этом случае он отклоняется, в целом, по коническому пути ступицей 36 и проходит через лопатки 37 в направлении, в целом, перпендикулярном их длине. Пройдя лопатки 37, воздух постепенно возвращается в основной поток и движется в основном направлении потока.

Использование лопаток 37, наклоненных вперед и наружу, дает преимущество, заключающееся в том, что можно получать большую суммарную площадь лопаток в пределах данного общего диаметра, чем в обычной ветротурбине с радиально расположенными лопатками, что снижает стоимость конструкции. Кроме того, с наклонными лопатками 37, отступающими от сравнительно большой ступицы 36, степень изменения тангенциальной скорости (при вращении) точек по длине лопаток меньше, чем в обычной ветротурбине такого же диаметра с радиально расположенными лопатками. Это уменьшает снижение характеристик из-за использования простых незакрученных лопаток 37, поскольку требуется меньшее закручивание лопаток для поддержания оптимального угла атаки по всей длине лопаток 37.

Кольцевой обтекатель 38 применен для быстрого поворота набегающего потока воздуха наружу у внешних концов лопаток 37, благодаря чему внешние концы эффективно создают аэродинамическую подъемную силу и, следовательно, крутящий момент ротора и, по меньшей мере, ограничивается компо

- 6 006361 нент потока, движущийся вдоль (а не поперек) лопаток 37. Вторичное преимущество заключается в том, что кольцевой обтекатель 38 предотвращает существенные потери энергии от срыва вихревого потока на концах лопаток, который мог бы происходить на концах небандажированных лопаток. Кольцевой обтекатель 38 в этом отношении действует подобно так называемым концевым плоскостям крыла самолета.

Однако, как представляется, использование кольцевого обтекателя 38 одновременно дает еще одно преимущество. Во-первых, как описал К1шд (см. приведенную выше ссылку), кольцевой обтекатель с аэродинамическим профилем, без срыва потока создающий подъемные силы по его периферии, образует круговой поток вокруг каждой точки на его периферии. Поскольку кольцевой обтекатель 38 конфигурирован так, что эти подъемные силы направлены внутрь, и этот поток движется, как показано стрелками 60 на фиг. 3 и 10, и, следовательно, ускоряет воздушный поток наружу и назад через лопатки 37, возникает эффект повышения интенсивности воздействия на внешние концы лопаток 37. В то же время, тангенциальная скорость точек на лопатках 37 при вращении увеличивается по мере приближения к их внешним концам, то есть при увеличении радиуса. Без применения кольцевого обтекателя 37 этот последний эффект требовал бы закручивания лопаток для поддержания оптимальной нагрузки на каждую лопатку 37. Эффект кругового потока вокруг кольцевого обтекателя 38 состоит в, по меньшей мере, частичной компенсации этого увеличения тангенциальной скорости и, таким образом, уменьшает необходимость в таком закручивании. Представляется, что это является причиной того, что простые незакрученные лопатки 37 лучше работают в турбине 30, чем можно было бы ожидать в другом случае. Понимая это, специалист в области конструирования ветротурбин сможет по-другому подобрать конфигурацию и размеры аэродинамического профиля 40 с использованием распространенных способов или методом проб и ошибок для получения удовлетворительных характеристик с использованием простых лопаток.

Следует отметить, что главное основание для применения кольцевого обтекателя 38 (поворот потока наружу) совершенно отлично от того, которым мотивировался Кйпд. и он удачно уменьшает необходимость в закручивании наклонных лопаток 37 по их длине, которое, таким образом, затрудняет их выполнение. Кроме того, конфигурация кольцевого обтекателя 38 совершенно отлична от описанной Ау1ог (см. приведенную выше ссылку) в его варианте с наклонными лопатками (см. фиг. 7 патента США № 4781523). Ау1ог использует кольцевой обтекатель с изогнутым наружу поперечным сечением, которое может создавать подъемные силы, направленные наружу и вперед, то есть строго противоположно подъемным силам, создаваемым кольцевым обтекателем 38. Это сделано для поворота выходящего воздушного потока назад для ровного обтекания полого корпуса (п.43 Ау1ог) и для уменьшения площади сечения прохода для потока на выходе. Ветротурбина 30 не осуществляет ни того, ни другого. Также следует отметить, что кольцевой обтекатель Ау1ог значительно больше и в некоторой степени сложнее по конфигурации, чем кольцевой обтекатель 38, что повышает расходы.

В вариант осуществления изобретения могут быть внесены многие изменения без отхода от сущности и объема настоящего изобретения. В частности, можно использовать обычные способы (например, компьютерного газодинамического моделирования) для усовершенствования конструкции ветротурбин, в целом, имеющих форму ветротурбины 30, для повышения эффективности или для приспособления их конструкций к конкретным условиям, сохраняя указанные выше преимущества. Первое обычно будет заключаться в выполнении более сложных лопаток и/или более сложного аэродинамического профиля кольцевого обтекателя, когда могут быть оправданы дополнительные расходы.

Другие параметры, которые могут быть изменены, включают угол при вершине ступицы 36, форму ступицы 36 (хотя предпочтительна показанная форма простого конуса, которую легко получить), установки по хорде, длине, конусности, площади и углу лопатки относительно ступицы 36.

Другой возможностью является допущение немного увеличенного диаметра полого корпуса 31 и образование обтекаемого перехода ступицы 36 к полому корпусу 31. Представляется, что это может дать некоторое улучшение характеристик.

С другой стороны, можно упростить и удешевить ветротурбину посредством замены кольцевого обтекателя 38 на более простой кольцевой обтекатель из листового металла, возможно, с изогнутым профилем без снижения основных характеристик.

Конечно следует подчеркнуть, что описанное здесь изобретение может применяться в других вариантах, в которых необходимо использовать энергию потока движущейся текучей среды.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Турбина, работающая на текучей среде, для использования энергии движущейся текучей среды, включающая ротор, установленный на несущей конструкции для вращения вокруг горизонтальной оси, причем указанный ротор имеет множество лопаток, отступающих вперед и наружу от ступицы; и кольцевой обтекатель, прикрепленный к концам лопаток и вращающийся совместно с лопатками вокруг указанной оси, причем кольцевой обтекатель расположен концентрически относительно указанной оси вращения, в которой кольцевой обтекатель имеет по меньшей мере в одном периферийном местоположении на нем радиальное сечение, конфигурированное для создания при работе указанной тур

- 7 006361 бины кругового потока вокруг указанного сечения в таком направлении, чтобы повышать скорость потока текучей среды между кольцевым обтекателем и ступицей.
2. Турбина по п. 1, в которой в указанном, по меньшей мере одном периферийном местоположении на кольцевом обтекателе указанный кольцевой обтекатель создает при работе турбины аэродинамическую силу, направленную внутрь и назад от кольцевого обтекателя.
3. Турбина по п. 1 или 2, в которой кольцевой обтекатель имеет единообразное поперечное сечение, по существу, по всей периферии кольцевого обтекателя.
4. Турбина по любому из пп.1-3, в которой указанное поперечное сечение кольцевого обтекателя имеет такие конфигурацию, размеры и ориентацию, что указанный круговой поток достаточен для, по меньшей мере, частичной компенсации изменения направления потока текучей среды относительно лопатки вследствие повышения тангенциальной скорости лопатки с увеличением радиуса лопатки.
5. Турбина по любому из пп.1-4, в которой ступица имеет, по существу, коническую форму с углом при вершине, находящимся в диапазоне от 60 до 120°.
6. Турбина по п.5, в которой угол при вершине находится в диапазоне от 80 до 100°.
7. Турбина по любому из пп.1-4, в которой задние кромки лопаток при работе турбины описывают, по меньшей мере, приблизительно коническую поверхность.
8. Турбина по п.7, в которой указанная коническая поверхность пересекает внешнюю поверхность ступицы под углом, находящимся в диапазоне приблизительно от 75 до 90°, при взгляде на сечение обеих указанных поверхностей в радиальной плоскости, которая включает указанную ось вращения.
9. Турбина по п.7, в которой указанная коническая поверхность пересекает внешнюю поверхность ступицы под углом приблизительно 90° при взгляде на сечение обеих указанных поверхностей в радиальной плоскости, которая включает указанную ось вращения.
10. Турбина по любому из пп.1-4, в которой каждая лопатка имеет, по существу, постоянную конфигурацию поперечного сечения по всей ее длине.
11. Турбина по любому из пп.1-4, в которой каждая лопатка имеет конфигурацию поперечного сечения в форме аэродинамического профиля.
12. Турбина по любому из пп.1-4, в которой каждая лопатка, по существу, не закручена по ее длине.
13. Турбина по любому из пп.1-4, в которой каждая лопатка сформирована из листового материала и имеет дугообразную конфигурацию поперечного сечения.
14. Турбина по любому из пп.1-4, в которой поперечное сечение кольцевого обтекателя, по меньшей мере, приблизительно имеет форму аэродинамического профиля.
15. Турбина по п.14, в которой аэродинамический профиль имеет линию кривизны, которая вогнута на ее стороне, противоположной указанным лопаткам.
16. Турбина по любому из пп.1-4, в которой кольцевой обтекатель сформирован из листового материала и указанный кольцевой обтекатель имеет дугообразную конфигурацию поперечного сечения.
17. Турбина по п.16, в которой дугообразная конфигурация вогнута на ее стороне, противоположной указанным лопаткам.
18. Турбина по любому из пп.1-4, в которой поперечное сечение кольцевого обтекателя имеет переднюю кромку и заднюю кромку и расстояние между передней и задней кромками при взгляде на радиальную плоскость, включающую указанную ось вращения, меньше, чем удвоенная максимальная длина хорды каждой лопатки.