EA013379B1

EA013379B1 - Турбина с вертикальной осью

Info

Publication number: EA013379B1
Application number: EA200701096A
Authority: EA
Inventors: Дэвид Джон Шарп
Original assignee: Винд Пауэр Лимитед
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2010-04-30
Also published as: US8038383B2; JP5363731B2; WO2006054091A1; EA200701096A1; CA2588511A1; JP2008520894A; US20080152495A1; EP1828597B1; EP1828597A1

Abstract

В изобретении предлагается турбинное устройство с вертикальной осью, в котором вращающийся снабженный лопастями турбинный элемент, установленный на неподвижном основании, содержит от одной до пятидесяти, а преимущественно от двух до трех перекладин (F), имеющих наклон вверх и наружу. На каждой перекладине имеется по меньшей мере одна лопасть (S) с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла или набор таких лопастей. Если имеется набор лопастей, то лопасти преимущественно удерживаются относительно друг друга при помощи проволочных оттяжек (Т).

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию турбинного устройства с вертикальной осью, предназначенного, в частности, но не исключительно, для выработки электроэнергии.

В течение столетий было известно, что энергия может быть получена от ветра. Ветряные мельницы являются знакомой чертой средневековых пейзажей во многих странах, и даже в настоящее время их используют в различных странах. Одним из видов использования ветра является приведение в действие турбин для выработки электроэнергии.

При растущей озабоченности, связанной с истощением различных видов ископаемого топлива и с возможным вредным влиянием на окружающую среду, в настоящее время вновь возродился интерес к возможности выработки электроэнергии при помощи ветровых турбин, особенно к выработке электроэнергии в крупном масштабе.

Так называемые ветровые электростанции были построены в различных странах, чтобы использовать энергию ветра таким образом. Они обычно содержат несколько башен, каждая из которых имеет на своей вершине поворотную головку, позволяющую совершать поворот для совмещения с направлением ветра, на которой установлено несколько турбинных лопастей, которые все соединены с единственной вращающейся ступицей, аналогично лопастям пропеллера. Имеется много публикаций, связанных с такими ветровыми турбинами, имеющими горизонтальные оси.

Несмотря на то, что промышленная выработка электроэнергии с использованием таких устройств уже началась, некоторые наблюдатели находят их непривлекательными (уродливыми) по внешнему виду в сельской местности. Возведение ветровых турбин на берегу снижает непривлекательность и снимает возражения относительно вертикального размера и числа устройств. Увеличение размера расположенных на берегу ветровых турбин понижает стоимость прокладки линии электропередачи за счет снижения числа ветровых турбин, необходимых для выработки заданного объема электроэнергии.

Предельный размер ветровых турбинных устройств с горизонтальной осью ограничен усталостным разрушением, возникающим при повторяющемся реверсивном изменении изгиба лопастей, возникающем за счет их веса, когда лопасти вращаются; усталостное разрушение, вызванное весом лопасти, возрастает пропорционально размеру лопасти, при условии отсутствия других изменений в конструкции. Таким образом, по мере увеличения размера лопасти, конструктор вынужден использовать другие материалы, имеющие повышенную усталостную прочность, однако, они обычно являются более дорогими и снижают рентабельность устройства.

В ветровом турбинном устройстве, в котором лопасти вращаются относительно вертикальной оси, лопасти не испытывают реверсивного изменения наклона, вызванного весом, однако, они испытывают усталостное разрушение, вызванное нагрузкой за счет давления воздуха. Однако усталость за счет давления воздуха не возрастает при возрастании размера так называемого ветрового турбинного устройства с вертикальной осью и, таким образом, не ограничивает его максимальный размер.

Уже был сделан ряд предложений, связанных с выработкой электроэнергии с использованием ветровых турбин с вертикальной осью. Имеется существенное число публикаций, связанных с так называемой конструкцией 8ауоши5 аиб Оагпеик, и уже были построены практические вырабатывающие электроэнергию блоки. Однако так как такие решения являются не так хорошо развитыми (доведенными), они не нашли поддержки у операторов промышленных ветровых электростанций. Отсутствие развития (доводки) ветровых турбин с вертикальной осью связано с ощущением того, что они имеют меньшую эффективность по сравнению с турбинами с горизонтальной осью.

В патенте ОВ-Л-2102079 описана ветровая турбина с вертикальной осью, обладающая возможностью наклона двух лопастей вверх к горизонтальной плоскости под выбранным углом, причем лопасти прикреплены на нижних концах к валу, что позволяет производить вращение относительно вертикальной оси. Маловероятно, что такая конструкция может быть внедрена в промышленную эксплуатацию. Недостатком такой конструкции является возникновение силы давления ветра, которая вызывает чрезмерное опрокидывание или момент опрокидывания всего устройства. Стоимость средства сопротивления моменту опрокидывания делает устройство неэкономичным.

В патенте СВ-Л-2303409 раскрыта аналогичная ветровая турбина с вертикальной осью, которая содержит единственную сбалансированную наклонную лопасть, вращающуюся относительно вертикальной оси, которая может качаться под действием давления ветра, но при противодействии сопротивления сбалансированной массы. Эта конструкция позволяет снизить момент опрокидывания, но требует использования тяжелых уравновешивающих грузов, что делает устройство неэкономичным.

Также известны турбинные устройства для извлечения энергии из проточной воды, начиная от средневековых водяных мельниц и заканчивая современными турбинами, устанавливаемыми под водой для извлечения энергии из водного потока, что называют гидроэлектрической выработкой электроэнергии.

Авторами настоящего изобретения создан новый класс конструкций для турбин с вертикальной осью, которые могут быть масштабированы до размера, который превосходит экономически реальный размер турбин с горизонтальной осью, причем такие турбины могут быть использованы в качестве ветровых турбин на суше или на море или подводных турбин для извлечения энергии из течений.

В соответствии с настоящим изобретением в его самом широком аспекте предлагается турбина с

- 1 013379 вертикальной осью, которая содержит неподвижное основание и вращающийся снабженный лопастями турбинный элемент, установленный на неподвижном основании и выполненный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, причем снабженный лопастями элемент содержит по меньшей мере одну наклонную удлиненную перекладину, имеющую наклон вверх и наружу от оси вращения, при этом одна или каждая перекладина несет установленную на ней по меньшей мере одну короткую лопасть с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла. Преимущественно угол (углы) короткой лопасти (лопастей) с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла относительно перекладины (перекладин) отрегулированы так, чтобы оптимизировать полную пару вращения относительно вертикальной оси и минимизировать полный опрокидывающий момент, когда турбина подвергается воздействию нагрузки за счет ветра или течения воды. Угол не обязательно должен быть одним и тем же для всех лопастей, когда их несколько. Удлиненная перекладина (перекладины), которая служит в качестве конструктивной опоры для аэродинамического профиля (профилей) или профиля (профилей) в виде гидрокрыла, должна сама обязательно подвергаться приложению нагрузки и, таким образом, преимущественно должна иметь аэродинамический профиль или профиль в виде гидрокрыла, чтобы минимизировать лобовое сопротивление.

Преимущественно число перекладин составляет от 2 или 3 до 50 в зависимости от желания. Если используют несколько перекладин, перекладины преимущественно удерживаются вместе за счет множества проволочных оттяжек или других аналогичных элементов, соединяющих каждую перекладину с противоположной или смежной перекладинами. Угол наклона каждой перекладины относительно вертикали может быть регулируемым, например, за счет шарнирного крепления каждой перекладины у ее основания и за счет укорочения или удлинения проволочных оттяжек. Преимущественно число коротких лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла составляет от 1 до 20, предпочтительнее от 2 до 5, а еще лучше равно 4.

Аэродинамические профили или профили в виде гидрокрыла лопасти (лопастей) и перекладины (перекладин), то есть их сечение (профиль) от переднего конца до заднего конца, может изменяться по классификации, по отношению толщины к хорде и по стреле прогиба. Для ветровых турбин лопасти с аэродинамическим профилем имеют максимальное отношение толщины к хорде, лежащее в диапазоне от 10 до 50%.

Коэффициент формы каждой короткой лопасти с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла лежит в диапазоне от 2 до 5, а преимущественно лежит в диапазоне от 3 до 4.

Угол установки лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла на каждой перекладине, измеренный от радиально наружного горизонтального направления в радиальной и вертикальной плоскости, содержащей центральную линию перекладины, лежит в диапазоне от 90 до 160°, а преимущественно составляет около 145°.

Угол установки каждой короткой лопасти с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла относительно перекладины, измеренный от горизонтальной линии, перпендикулярной к радиальной и вертикальной плоскости, содержащей центральную линию перекладины в нормальной плоскости поперечного сечения короткой лопасти, преимущественно лежит в диапазоне от +5 до -5°. Углы установки для каждой лопасти могут быть одинаковыми или различными. Угол следует регулировать для максимального повышения КПД турбины, извлекающей энергию из ветра или течения воды, однако, можно также использовать такую регулировку по углу и для других целей. Например, за счет изменения угла наклона одной или нескольких коротких лопастей с аэродинамическим профилем или лопастей с профилем в виде гидрокрыла последовательным образом на величину до 90°, может быть достигнут эффект аэродинамического или гидродинамического торможения. Это позволяет производить управление, например ограничивать выходную мощность в ситуациях, связанных с сильным ветром или с сильным течением воды. Кроме того, одна или несколько коротких лопастей с аэродинамическим профилем или лопастей с профилем в виде гидрокрыла могут содержать средство для вращения самого заднего участка относительно продольной длины шарнира, такого как элерон, циклически, в диапазоне от +90 до -90° для того, чтобы довести до максимума выходную мощность турбины.

Размер турбин в соответствии с настоящим изобретением может изменяться в широких пределах, причем само собой разумеется, что турбины больших размеров могут вырабатывать больше электроэнергии. Типичные размеры ветровой турбины с расчетной мощностью 1 МГВт позволяет образовать круг диаметром 100 м, развертываемый (образуемый при вращении) горизонтально внешним концом перекладины, причем такая турбина имеет лопасти с продольной длиной 16 м и длиной хорды 5,5 м.

Конструкция вертикально наклонных перекладин может изменяться в широких пределах и может быть простой, когда единственная центральная перекладина идет вверх и наружу, или может быть сложной, когда, например, ряд вспомогательных перекладин образуют каркас, предназначенный для установки индивидуальных коротких лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла. Преимущественно поперечное сечение перекладин и, конечно, любых других элементов, таких как опорные подкосы или стяжки, связанных с перекладинами, образует аэродинамический профиль или профиль в виде гидрокрыла, чтобы снизить до минимума лобовое сопротивление. При этих ограничени

- 2 013379 ях может быть разработано большое количество конструкций.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показан вид в перспективе ветрового турбинного устройства с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 - вертикальное осевое сечение устройства, показанного на фиг. 1.

На фиг. 3 - перспективное схематическое изображение альтернативного варианта.

На фиг. 4 - вертикальное сечение варианта, показанного на фиг. 3.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1 и 2, на которых показано ветровое турбинное устройство с двумя ветвями Р, которые содержат одинарные перекладины, поддерживающие короткие лопасти 8 с аэродинамическим профилем, соединенные при помощи растяжек Т.

Две перекладины Р сходятся вместе в их основании в ступице Н, которая установлена с возможностью вращения в основании В. Когда дует ветер, совокупность ветвей Р, лопастей 8 и растяжек Т вращается относительно вертикальной оси на основании В и при помощи соответствующего вала может приводить в движение генераторное устройство соответствующего типа, при помощи зубчатой передачи или преимущественно непосредственно. Габаритный размер турбинного устройства, показанного на фиг. 1 и 2, может изменяться в широких пределах, причем чем больше размер, тем больше инженерные затраты, равно как и больше количество энергии, которое может быть выработано за счет его вращения.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3 и 4, на которых показано ветровое турбинное устройство с двумя ветвями, которое имеет сложный каркас (рамную конструкцию) из распорок и стяжек, поддерживающих короткие лопасти 8 аэродинамического профиля.

Каждая из распорок и стяжек, образующих ветви или перекладины, имеет аэродинамический профиль, чтобы снизить до минимального ветровое сопротивление. Можно видеть, что передняя кромка любого аэродинамического профиля имеет одинаковое направление по окружности, если смотреть в направлении вертикальной оси через центр устройства, и поэтому, когда ветер дует горизонтально через устройство, он заставляет его вращаться в направлении вращения В, показанном на фиг. 3.

Как это показано на фиг. 3, две ветви опираются главным образом на цилиндрическое основание В. Можно видеть, что две ветви установлены с возможностью поворота у их соответствующих оснований относительно пары монтажных кронштейнов, так что каждая ветвь может быть повернута относительно в целом горизонтальной оси А после разъединения трех распорок Р'. Это полезно для ликвидации повреждения любой из аэродинамических поверхностей, вызванного, например, столкновением с птицей.

Основание В установлено на соответствующей подшипниковой системе, причем предусмотрены средства для прямого или косвенного привода генератора, который вырабатывает электроэнергию, когда дует ветер, и средства для вращения узла, показанного на фиг. 3 и 4.

Подводные турбинные установки могут быть сконструированы аналогичным образом, однако, принимая во внимание соответствующие условия окружающей среды. За счет тщательного конструирования может быть обеспечена существенная инженерная экономия, например может быть намного уменьшен эффективный вес вращающегося рубинного элемента, если, например, сделать полыми элементы в виде подводного крыла.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Турбина с вертикальной осью, которая содержит неподвижное основание и вращающийся снабженный лопастями турбинный элемент, установленный на неподвижном основании и выполненный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, причем снабженный лопастями элемент содержит по меньшей мере одну наклонную удлиненную перекладину, имеющую наклон вверх и наружу от оси вращения, при этом каждая перекладина несет от 2 до 5 лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла.
2. Турбина по п.1, в которой углы лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла относительно перекладины отрегулированы так, чтобы оптимизировать полную пару вращения относительно вертикальной оси и минимизировать полный опрокидывающий момент, когда турбина подвергается воздействию нагрузки за счет ветра или течения воды.
3. Турбина по п.1 или 2, в которой перекладины имеют аэродинамический профиль или профиль в виде гидрокрыла, чтобы минимизировать лобовое сопротивление.
4. Турбина по п.1, в которой число перекладин равно 2 или 3.
5. Турбина по одному из пп.1-4, в которой перекладины удерживаются вместе за счет множества проволочных оттяжек или других аналогичных элементов, соединяющих каждую перекладину с противоположной или смежной перекладинами.
6. Турбина по одному из пп.1-5, в которой угол наклона перекладин переменный.
7. Турбина по п.6, в которой каждая из перекладин шарнирно соединена с элементом основания для обеспечения вращения относительно оси горизонтального шарнира, чтобы изменять угол наклона.

- 3 013379
8. Турбина по п.7, в которой имеющие наклон относительно вертикали перекладины образованы рядом вспомогательных перекладин, образующих рамную конструкцию, служащую для установки индивидуальных коротких лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла.
9. Турбина по одному из пп.1-8, сконструированная как ветровая турбина и в которой лопасти с аэродинамическим профилем имеют максимальное отношение толщины к хорде, лежащее в диапазоне от 10 до 50%.
10. Турбина по одному из пп.1-9, в которой коэффициент формы каждой лопасти с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла лежит в диапазоне от 2 до 5.
11. Турбина по одному из пп.1-10, в которой угол установки лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла на каждой перекладине, измеренный от радиально наружного горизонтального направления в радиальной и вертикальной плоскости, содержащей центральную линию перекладины, лежит в диапазоне от 90 до 160°.
12. Турбина по одному из пп.1-11, в которой угол установки каждой лопасти с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла относительно перекладины, измеренный от горизонтальной линии, перпендикулярной к радиальной и вертикальной плоскости, содержащей центральную линию перекладины в нормальной плоскости поперечного сечения лопасти, лежит в диапазоне от +5 до -5°.
13. Турбина по п.12, которая дополнительно содержит средство для изменения установки одной или нескольких лопастей с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла последовательным образом на величину до 90°, чтобы обеспечить аэродинамическое или гидродинамическое тормозящее действие.
14. Турбина по одному из пп.1-13, которая дополнительно содержит на одной или на нескольких лопастях с аэродинамическим профилем или с профилем в виде гидрокрыла средство для циклического вращения самого заднего участка лопасти относительно оси, параллельной длине лопасти, в угловом диапазоне от -90 до +90°, чтобы повысить выработку турбиной электроэнергии.