EA002751B1 - Турбина, приводимая в действие текучей средой - Google Patents

Abstract

Турбина, приводимая в действие протекающей средой, для выработки электроэнергии, содержащая ряд крыльев (5) подходящей длины, ширины и толщины, имеющих гидродинамическую форму, при этом каждое крыло (5) прикреплено верхней частью своего вала (6) к вращающейся дискообразной поддерживающей конструкции (3), которая является концентрической по отношению к основному валу (2) турбины, а продольные валы (6) крыльев (5), по существу, параллельны основному валу (2), отличается тем, что каждое крыло (5) снабжено двигателем (8), который используется для индивидуального поворота крыла (5) вокруг его продольного вала (6) независимо от каждого из других крыльев (5) для достижения того, чтобы основная поверхность каждого крыла (5) находилась под требуемым углом атаки, относительным и абсолютным, к направлению протекающей среды (11). Турбина пригодна для выработки электрической энергии в случае протекания воды с относительно низкой скоростью.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к турбине с регулируемыми крыльями, приводимой в действие текучей средой, и к способу выработки электроэнергии посредством ее использования. Предпосылки создания изобретения

В течение продолжительного времени для использования энергии текучих сред применяют оборудование различных видов. В последние десятилетия для выработки электроэнергии в большом количестве разработаны и введены в действие ветряные турбины с горизонтальным вращающимся валом. Однако они обладают рядом недостатков, к которым относятся шум, обезображивание окружающей среды, высокие затраты при производстве и применении. В большей части ветряных турбин может использоваться только небольшая часть полной энергии ветра.

Также разработаны ветряные турбины с вертикальным валом. Эти турбины имеют ряд преимуществ перед вышеупомянутыми, например, являются менее шумными вследствие меньшей периферийной скорости, имеют менее высокие установочные конструкции и, следовательно, требуют меньших затрат при установке и эксплуатации. Они не связаны с направлением ветра. Установлено, что необходимо регулировать угол атаки крыльев к ветру с учетом текучести и прочности среды. Хорошо известны различные способы регулировки угла атаки, но не делалось попыток осуществлять регулировку индивидуально и в обязательном порядке.

В патенте США № 4052134 раскрыта ветряная турбина, имеющая вертикальный вращающийся вал, который снабжен крыльями, имеющими приспособление для перемещения крыльев назад в устойчивое положение в линию с траекторией вращения турбины.

В патенте Норвегии № 302590 описана ветряная турбина с вертикальным валом, которая имеет приспособление для противодействия стремлению крыльев самопроизвольно выравниваться относительно кажущегося направления ветра.

В патенте США № 4168439 описана крупная ветряная турбина с усложненной системой, состоящей из электродвигателей, редукторов и приспособления для регулирования очень больших крыльев, главным образом, при пуске и остановке турбины.

В патенте Дании № 164294 описан способ модификации крыльев ветряных турбин путем закрепления гибких сигарообразных элементов на свободных концах крыльев.

В патенте США № 2950765 и в патенте

США № 2250772 описаны турбины с вертикальным валом и регулируемыми крыльями.

Все крылья регулируются одновременно с помощью стержней, которые продвигают или вытягивают крылья в заданное положение на основе информации о смещении установленного вне центра вращающегося колеса. Назначение этих турбин заключается в приведении в движение кораблей.

Из уровня техники известны турбины для преобразования энергии протекающей воды. Обычно в большей части турбин поток воды необходимо направлять к области генерирования энергии турбиной с ограничениями по скорости, направлению и количеству. Очевидно, что вырабатываемая электроэнергия прямо пропорциональна скорости протекающей среды, т. е. повышение скорости воды в области генерирования энергии турбиной будет приводить к увеличению количества производимой электроэнергии.

До сих пор существует большой интерес к использованию энергии медленно движущихся текучих сред для выработки электроэнергии. Настоящее изобретение позволяет сделать это простым и недорогим путем.

Краткое изложение сущности изобретения

Поэтому согласно изобретению создана турбина, приводимая в действие протекающей средой, для выработки электроэнергии, содержащая ряд крыльев подходящей длины, ширины и толщины, имеющих гидродинамическую форму в соответствии со спецификациями в стандарте Национального консультативного комитета по аэронавтике (НККА). Каждое крыло прикреплено верхней частью своего вала к вращающейся дискообразной поддерживающей конструкции, которая соединена с основным валом турбины, а продольные валы крыльев, по существу, параллельны основному валу, в которой каждое крыло снабжено двигателем, который используется для индивидуального поворота крыла вокруг его продольного вала независимо от каждого из других крыльев для достижения того, чтобы основная поверхность каждого крыла находилась под требуемым углом атаки, относительным и абсолютным, к направлению протекающей среды.

Турбина пригодна для выработки электроэнергии при протекании воды с относительно небольшой скоростью.

Краткое описание чертежей фиг. 1 - схематичное перспективное изображение турбины согласно изобретению с четырьмя крыльями и вертикальным валом;

фиг. 2 - вид в горизонтальном разрезе дискообразной поддерживающей конструкции с четырьмя прикрепленными крыльями;

фиг. 3 - вид крыла в вертикальном разрезе; и фиг. 4 - изображения предложенных элементов гидродинамической формы на свободных концах крыльев.

Подробное описание изобретения

Задача изобретения заключается в создании турбины, с помощью которой можно оптимально использовать динамические силы в сре3 де, движущейся с небольшой скоростью с различных направлений.

Термин «протекающая среда» относится ко всем потокам текучей среды, к таким как естественно движущиеся вода и газы. Движущаяся вода представляет собой воду в ручьях и реках, воду, передаваемую к турбине по трубопроводам, находящуюся в резервуарах и аналогичных сосудах, и воду всех видов, находящуюся в озерах и океанах.

Термин «крыло» относится к любому крыловидному профилю с двумя конгруэнтными криволинейными удлиненными наружными поверхностями, которые соединены вдоль соединительной оси, закруглены в направлении скорости, а в задней части сужены до острой кромки. Поэтому крылья имеют гидродинамическую форму. Ряд крыльев различной формы подробно представлен в хорошо известных стандартах Национального консультативного комитета по аэронавтике (НККА).

Можно использовать крылья ряда форм, а предпочтение может быть отдано крылу НККА 63.015.

Каждое крыло имеет в продольном направлении вертикальный эксцентричный вал. В турбине горизонтального типа вал будет находиться соответственно в горизонтальном направлении. Турбина настоящего изобретения содержит от 2 до 10 крыльев, предпочтительно, чтобы было от 4 до 8 крыльев, наиболее предпочтительно, чтобы имелось 5 крыльев, соединенных с нижней стороной вращающейся дискообразной конструкции так, чтобы крыло находилось примерно в вертикальном положении. Все крылья, прикрепленные к поддерживающей конструкции, расположены примерно на равных расстояниях друг от друга, находятся примерно на одинаковом расстоянии от центра вращающейся конструкции и примерно параллельны вращающемуся валу.

Размер крыльев особенно не ограничен до тех пор, пока они не перестают удовлетворять предъявляемым требованиям. Размер зависит от плотности и скорости протекающей среды. Поэтому крылья, предназначенные для использования в воде, могут иметь вертикальную протяженность от 1 до 100 м, предпочтительно, чтобы их протяженность была от 5 до 20 м, наиболее предпочтительно, чтобы она составляла примерно 10 м. Ширина крыльев, или горизонтальный срез, обычно составляет от 0,5 до 5 м, предпочтительно, чтобы она была от 0,5 до 2 м, а наиболее предпочтительно, чтобы она составляла примерно 1 м. Толщина крыла обычно находится между 0,05 и 1 м, но зависит от выбранного типа крыла.

Крылья могут быть изготовлены из любого пригодного материала, предпочтительно выбранного из группы, содержащей сталь, алюминий и полимерные композиционные материалы, такие как армированный волокнами ненасыщенный сложный полиэфир. Критерий размера определяется выбором материала.

Что касается фиг. 1, то на ней показана турбина с вертикальным валом 1, соединенным с вращающимся валом 2, к которому присоединена дискообразная поддерживающая конструкция 3. На поддерживающей конструкции закреплен ряд крыльев 5. Каждое крыло имеет продольный вал 6, который обеспечивает возможность поворота крыла. Верхний конец вала соединен с поддерживающей конструкцией 3. Каждое из крыльев 5 соединено с поворотным двигателем 8, предпочтительно с шаговым двигателем. Посредством двигателя 8 крыло может поворачиваться вокруг продольного вала 6, который установлен, по существу, соосно по отношению к валу 2 турбины так, что крыло можно поворачивать в любое положение, соответствующее движению текучей среды. Полезная работа крыла 5 в значительной степени зависит от турбулентности, создаваемой вокруг свободного конца 9 крыла 5. В изобретении эти сведения использованы путем применения плоских элементов 15 или сигарообразных элементов 10 такого размера, что их площадь поверхности в 1-50 раз больше площади поверхности крыльев 5, более предпочтительно, если в 2 раза больше площади поверхности крыльев 5; либо на свободных концах 9 крыльев 5 использованы строго эллиптические элементы 14, профиль которых задан как полупрофиль крыла, а размер которых по ширине в 1-50 раз больше ширины крыла 5, более предпочтительно, если того же самого размера, как крыло 5. Поддерживающая конструкция состоит из дискообразного элемента 3, а крылья 5 размещены в местах вблизи периферии пластины. Поэтому во время работы крылья 5 будут проходить центрический круговой путь 12 вокруг вала 2 турбины. Этот круговой путь 12 определяет наружный диаметр турбины. В основной конструкции 4 турбины имеется устройство, которое передает вращение вала к динамо-машине 7, обеспечивающей выработку электроэнергии.

На фиг. 2 показана турбина с валом 2 турбины и четырьмя крыльями 5, прикрепленными к поддерживающей конструкции 3, состоящей из дискообразной пластины, к которой крылья 5 присоединены с возможностью поворота вблизи периферии пластины, предоставляющей возможность крыльям 5 перемещаться по концентрическому пути 12 вокруг вала 2 турбины. Показано размещение двигателей 8 над крыльями

5. Ряд стрелок указывает направление потока 11 и вращения 13 турбины.

Фиг. 3 представляет собой изображение крыла 5 по осевой линии относительно ширины крыла. Показано, каким образом продольный вал 6 встроен в крыло 5, отражена форма крыла

5, в том числе свободного конца 9 крыла 5.

На фиг. 4 показаны крылья 5 и альтернативные формы свободного конца 9 крыла 5.

На фиг. 4а представлены изображения крыла 5 и строго эллиптического элемента 14, форма которого задана как полупрофиль крыла.

На фиг. 4Ь показаны изображения крыла 5 и плоского элемента 15. Элемент имеет форму параллелограмма 15 с диагональю в качестве середины крыла 5. Габариты параллелограмма в равной степени выходят за пределы крыла 5 по обе стороны от крыла 5. Толщина параллелограмма 15 не является критичной и поэтому не отражена.

На фиг. 4с представлены изображения крыла 5 и сигарообразного элемента 10, который во всех измерениях больше крыла 5. Ранее сигарообразный элемент 10 не применялся на вертикально установленном крыле 5.

В этом изобретении для каждого крыла 5 использован двигатель 8 одного и того же типа. В качестве двигателя может быть использован шаговый двигатель, предпочтительно шаговый двигатель типа гибридного шагового, пластинчатого шагового или обычного шагового двигателя.

Каждое крыло 5 снабжено однотипной системой управления, обеспечивающей возможность полного контроля положения каждого крыла 5 при повороте. Двигатель 8 позволяет осуществлять регулирование относительного и абсолютного угла крыла 5 по отношению к протекающей среде. Крылья 5 перемещаются по круговому пути, следовательно, относительное и абсолютное положение крыльев должно регулироваться динамически.

Теперь со ссылкой на фиг. 2 будут описаны циклы вращения турбины. Когда крылья 5 находятся, по существу, в вертикальном положении в протекающей текучей среде, они вследствие закрепления с возможностью поворота будут стремиться выравниваться путем оказания сопротивления, т. е. располагаться на одной прямой с протекающей средой. Для сообщения вращения турбине и, следовательно, выработки электроэнергии каждое крыло 5, присоединенное к своему двигателю 8 на дискообразной поддерживающей конструкции 3, будет поворачиваться до соответствующего относительного и абсолютного угла к потоку. Двигатель 8 будет поворачивать крыло до угла между 5 и 50°. Поэтому это будет создавать силу, действующую на поверхность крыльев 5, и приводить турбину в движение. Вращение будет приводить к изменению угла атаки крыльев 5 по отношению к потоку, а двигатель 8, как показано выше, будет управлять поворотом крыльев 5 до достижения требуемого угла атаки. Точность установки угла атаки крыла 5 по отношению к потоку зависит от способности двигателя 8 обнаруживать и сохранять положение. Соответствующие регулировки можно осуществлять во время движения крыла 5 по круговому пути. Поэтому крыло 5 будет создавать силу на протяжении примерно всего кругового пути, обеспечивая оптимальную выработку электроэнергии.

Предпочтительно, чтобы тупой конец крыла 5 был передней кромкой в потоке. На фиг. 2 стрелками показано вращение 13 и перемещение 11 потока, при этом тупой конец крыла 5 является передней кромкой. Положение крыльев будет одним и тем же независимо от природы текучей среды.

Поскольку угловое положение крыльев 5 индивидуально регулируется посредством двигателей 8, турбина может запускаться и останавливаться независимо от скорости протекающей среды без опасности разрушения устройства.

Поворот крыльев 5 с помощью управляющей системы позволяет устанавливать крылья 5 в положения, при которых турбина поддерживается неподвижной, обеспечивая возможность проведения ремонтных работ и технического обслуживания.

Крылья 5 приводят дискообразную поддерживающую конструкцию 3 во вращение с ограниченной частотой вращения, предпочтительно, от 5 до 60 оборотов в минуту, а более предпочтительно, чтобы она составляла от 5 до 20 оборотов в минуту. Частоту вращения можно регулировать путем изменения положения крыльев 5 в потоке.

Усилие, создаваемое турбиной, зависит от высоты, ширины и длины крыльев 5, а также от скорости потока. Низкооборотные крылья 5 являются более выпуклыми и имеют большую площадь поверхности, чем высокооборотные крылья. Поверхность необходимо обработать для поддержания ламинарного течения среды.

Максимальная производительность турбины достигается при использовании управляющей программы, предпочтительно электронной программы, для поворота крыльев в наиболее благоприятные положения, определенные с учетом наилучшего сочетания скорости и силы.

Турбулентность от свободного конца 9 крыла 5 будет приводить к снижению теоретической производительности турбины.

Производительность турбины 2 не зависит от направления потока до тех пор, пока поток не отклоняется слишком сильно от перпендикуляра относительно основного вала турбины 2.

Это изобретение описано применительно к вертикальному положению в потоке воды, но будет работать в равной степени хорошо при горизонтальном положении и в других потоках, таких как ветровые и т.д.

Динамо-машина 7 всегда неподвижна. Турбина может иметь вал, находящийся в вертикальном положении, но также может иметь вал, находящийся в горизонтальном положении. Если турбину используют в воде, ее необходимо прикреплять к заякоренному или к плавучему средству, или к средству, закрепленному на морском дне. Вал турбины можно установить по любую сторону относительно средства. Если турбину используют в воздушной среде, ее необходимо устанавливать на фундамент, основание и т.п.

Турбина согласно изобретению пригодна для установки на плавучих или погруженных средствах, заякоренных на дне реки, дне моря или на берегу. Подходящими плавучими средствами являются понтоны, паромы, плоты, лодки, баржи, буровые установки, «полупогружаемые аппараты», «плавучие основания с натяжным вертикальным якорным креплением» или специально сооруженные конструкции. Кроме того, турбину можно устанавливать в неподвижные конструкции, например, в кожухи, ОВ8, в подводные конструкции, изготовленные из бетона, из армированного стекловолокнами ненасыщенного полиэфира, из стали или из другого металла. Эти неподвижные конструкции также могут быть специальной постройки.

Конструкция турбины позволяет реализовать небольшие или крупные установки. Турбину можно устанавливать как отдельно стоящую установку или в виде составной конструкции с учетом максимального использования доступного потока. Конструкцию можно изготавливать и размещать без существенного воздействия на окружающую среду. Турбину можно устанавливать в океане, под поверхностью моря, и, следовательно, она не будет видна и не будет мешать морским перевозкам. Точно так же способы установки применимы к рекам и морям.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Турбина, приводимая в действие протекающей средой, для выработки электроэнергии, содержащая ряд крыльев (5) подходящей длины, ширины и толщины, имеющих гидродинамическую форму, при этом каждое крыло (5) прикреплено верхней частью своего вала (6) к вращающейся дискообразной поддерживающей конструкции (3), которая соединена с основным валом (2) турбины, а продольные валы (6) крыльев, по существу, параллельны основному валу (2), отличающаяся тем, что каждое крыло (5) снабжено шаговым двигателем (8), который крыла (5) вокруг его продольного вала (6) независимо от каждого из других крыльев (5) для достижения того, чтобы основная поверхность каждого крыла (5) находилась под требуемым углом атаки, относительным и абсолютным, к направлению протекающей среды (11).
2. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве шагового двигателя (8) использован гибридный шаговый, пластинчатый шаговый или обычный шаговый двигатель.
3. 3. Турбина по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что свободный конец (9) каждого крыла снабжен плоским элементом (15), имеющим форму параллелограмма, находящимся в перпендикулярном положении к продольной оси крыла (5).
4. 4. Турбина по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что свободный конец (9) каждого крыла снабжен сигарообразным элементом (10), находящимся в перпендикулярном положении к продольной оси крыла (5).
5. 5. Турбина по любому из пп.1-2, отличающаяся тем, что свободный конец (9) каждого крыла снабжен эллиптическим элементом (14), находящимся в перпендикулярном положении к продольной оси крыла (5).
6. 6. Турбина по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что шаговый двигатель (8) выполнен с возможностью индивидуального зацепления каждого крыла (5) и с индивидуальным снабжением энергией и с управлением посредством центрального устройства.
7. 7. Турбина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что крыло (5) и шаговый двигатель (8) установлены на дискообразной поддерживающей конструкции.
8. 8. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что вращающийся вал находится, по существу, в вертикальном положении.
9. 9. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что вращающийся вал находится, по существу, в горизонтальном положении.
10. 10. Турбина по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что в качестве протекающей среды используется вода.