RU179621U1 - Установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию - Google Patents

Установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию Download PDF

Info

Publication number
RU179621U1
RU179621U1 RU2016141240U RU2016141240U RU179621U1 RU 179621 U1 RU179621 U1 RU 179621U1 RU 2016141240 U RU2016141240 U RU 2016141240U RU 2016141240 U RU2016141240 U RU 2016141240U RU 179621 U1 RU179621 U1 RU 179621U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
fluid
flow
energy
rotation
Prior art date
Application number
RU2016141240U
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Александрович БАЛАШЕНКО
Original Assignee
Сергей Александрович БАЛАШЕНКО
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Александрович БАЛАШЕНКО filed Critical Сергей Александрович БАЛАШЕНКО
Application granted granted Critical
Publication of RU179621U1 publication Critical patent/RU179621U1/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F03B17/063—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having no movement relative to the rotor during its rotation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/002—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being horizontal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F03D3/0436—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels for shielding one side of the rotor
    • F03D3/0445—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels for shielding one side of the rotor the shield being fixed with respect to the wind motor
    • F03D3/0463—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels for shielding one side of the rotor the shield being fixed with respect to the wind motor with converging inlets, i.e. the shield intercepting an area greater than the effective rotor area
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к ветроэнергетике и/или гидроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии движущейся текучей среды (воздух и вода) в другие виды полезной энергии (кинетическую энергию сжатого воздуха, механическую, электрическую, тепловую и т.д.), предназначенной для бесперебойного обеспечения различных потребителей. Предложена установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию, включающая установленную на основании с возможностью свободного вращения ротора вокруг горизонтально ориентированной оси лопастную турбину и средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора турбины, которое содержит, по меньшей мере, один основной направляющий элемент, формирующий наклонную направляющую поверхность, ориентированную вдоль горизонтальной оси вращения ротора и выполненную и расположенную с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора. Предложенная конструкция обеспечивает увеличение коэффициента использования энергии потока независимо от вида текучей среды (воздух или вода) и от формы и структуры профиля лопастей, а также увеличение скорости природной текучей среды, направленной на рабочие органы, и, с одной стороны, поддержание работоспособности в условиях, когда естественный поток слишком слаб, а, с другой стороны, повышение устойчивости к потоку среды разрушительной силы, например ветру ураганной силы.

Description

Полезная модель относится к ветроэнергетике и/или гидроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии движущейся текучей среды (воздух и вода) в другие виды полезной энергии (кинетическую энергию сжатого воздуха, механическую, электрическую, тепловую и т.д.), предназначенной для бесперебойного обеспечения различных потребителей. Полезная модель, в частности, может быть использована в установках горизонтально-лопастного типа для преобразования энергии.
Проблема эффективного и экологичного использования огромных запасов энергии естественных воздушных (ветер) и водных (течение естественных и искусственных водоемов) потоков, несмотря на многовековые усилия, до сегодняшнего дня так и остается нерешенной. Основной проблемой создания эффективных установок, преобразующих кинетическую энергию движущейся текучей среды в различные виды полезной энергии, является необходимость учитывать непостоянство направления перемещения, скорости, силы и других характеристик естественных потоков текучей среды, прежде всего, воздушных и, во вторую очередь, водных потоков. При этом эти переменные характеристики, как правило, плохо поддаются расчетам и моделированию, хотя на основании многолетних наблюдений для каждой местности, в принципе, могут быть определены местные «розы ветров», а для каждого водоема - направления и характер течений и другие характеристики. В любом случае установки для преобразования кинетической энергии движущейся текучей среды должны быть устроены таким образом, чтобы максимально эффективно «улавливать» эти потоки в каждый момент времени и с максимально широких направлений. Особенно важным это является для ветроустановок. Традиционно решить эту проблему в ветроэнергетике пытаются, используя связанные со средствами преобразования энергии, установленные на опорах различных конструкций подвижные элементы, выполненные в виде турбинных колес типа «пропеллера» и ориентированные либо вертикально, либо горизонтально. Такие «пропеллеры» устанавливают с возможность либо вращения в одной плоскости, либо с возможностью вращения в различных плоскостях для лучшего улавливания переменных воздушных потоков. Типичным примером установок первого типа являются обычные ветряные мельницы. Примером установки второго типа может служить ветроэлектроэнергетическая установка, содержащая стойку, ветроколесо, устройство для ориентирования ветроколеса на ветер, которое состоит из хвоста и поворотной платформы, на нижней стороне которой установлен рубчатый оголовок, снабженный подшипником, а на лопастях ветроколеса установлены сегментные роторные элементы, ориентированные к центру ветроколеса [патент RU № 2237192 С1, опубл. 27.09.2004, F03D 1/00].
Однако оба упомянутых выше типа ветроэнергоустановок не очень эффективно «улавливают» ветер, в частности, из-за относительно небольшой площади поверхности лопастей, контактирующей с ветром, и не очень надежны, так как могут выйти из строя при шквалистых порывах ветра и ураганном ветре. Попытки повысить эффективность «улавливания» ветра за счет увеличения площади лопастей, выполнения лопастей составными и/или со сложной геометрической формой [патент RU № 2292485 С1, опубл. 27.01.2007, F03D 3/04] и т.п. не дают какие-либо существенные улучшения и даже приводят к отрицательным результатам по ряду показателей. Так, в частности, при попытке увеличения размера (площади контактирующей с ветром поверхности) лопастей резко снижается надежность таких установок и снижается их КПД. При этом требуется создание более укрепленных, более массивных и громоздких опор, что связано со значительным ростом затрат на строительство и обслуживание таких ветроэнергоустановок.
Более современные конструкции установок для преобразования энергии движущейся текучей среды снабжены специальными направляющими поток средствами, которые предназначены как для концентрации и «аккумулирования» изначально разнонаправленных естественных потоков в зоне лопастей турбинного колеса. В качестве примера такого типа установки можно назвать ветродвигатель, который содержит вертикальный вал с прикрепленными к нему плоскими лопастями [патент RU № 2237822 С1, опубл. 10.10.2004, F03D 3/04]. Вал через зубчатое колесо и редуктор механически связан с электрогенератором. Вокруг лопастей между верхней и нижней плитами установлены ветронаправляющие стены, одни концы которых расположены у окружности, описывающей лопасти, а другие их концы отведены к периферии. В качестве преимущества такой ветроустановки указано повышение ее эффективности за счет наличия ветронаправляющих стен. Однако ее эффективность все еще недостаточно высока, прежде всего, из-за того, что невозможно «улавливание» и направление к турбинному колесу воздушных потоков, протекающих ниже и выше соответственно нижней и верхней плиты.
Известна также вертикально ориентированная ветроэнергетическая установка(ветряная мельница), снабженная неподвижным средством улавливания и направления потока ветра, которое состоит из множества вертикальных перегородок, установленных радиально относительно оси вращения турбины, и множество наклонных перегородок, каждая из которых установлена между каждой парой смежных вертикальных перегородок от основания установки [заявка PCT/IN2006/000064, опубл. 25.01.2007 WO 2007/010551 A3, F03D 3/04]. Лопасти турбины выполнены выпуклыми. Наклонные перегородки установлены с наклоном относительно основания установки и относительно вертикальных перегородок. Благодаря особенностям описанной конструкции потоки воздуха, ударяясь о поверхности соответствующих вертикальных и наклонных перегородок, направляются перегородками к ротору, а именно к вогнутым поверхностям лопастей ротора, приводя их во вращение. Такая конструкция более эффективна, чем описанные выше, однако она имеет и ряд конструктивных недостатков, среди которых можно отметить следующие. Учитывая форму выполнения лопастей (криволинейная поверхность), часть воздушных потоков ударяется не в вогнутую поверхность одной лопасти, а в выгнутую поверхность следующей за ней лопасти, и энергия этой части потоков расходуется на «торможение» этой лопасти, т.е. оказывает отрицательное влияние на КПД установки. Все это не позволяет полезно преобразовывать энергию ветра в полном объеме. Кроме того, вертикальная ориентация оси вращения турбины обычно предполагает более сложную организацию «улавливания» потоков. Данное техническое решение может быть принято в качестве прототипа для заявляемой установки для преобразования кинетической энергии движущейся текучей среды (воздух и вода) в другие виды полезной энергии.
Кроме упомянутых выше для каждого из рассмотренных решений недостатков, все эти решения не могут быть использованы для преобразования энергии водных потоков, прежде всего, из-за вертикального расположения оси вращения турбин. Более того, поиск показал, что для гидроустановок практически не описаны простые конструктивные решения, позволяющие «концентрировать» максимальный поток воды на лопасти турбины.
По результатам проведенных исследований и предположений автор пришел к выводу, что с точки зрения максимального «улавливания» потоков текучей среды и с точки зрения надежности конструкции и ее устойчивости к потокам большой мощности в установках для преобразования энергии горизонтально-лопастного типа оптимальным является размещение неподвижного средства улавливания и направления потока текучей среды под наклоном к горизонтальной поверхности и расположение этого средства вдоль горизонтальной оси вращения ротора установки. Такое расположение, в частности, в ветроустановках, позволяет наряду с преобразованием энергии воздушных потоков в виде ветра преобразовывать еще и энергию конвективных воздушных потоков, возникающих за счет разности температур на различных по высоте уровнях. В большинстве случаев кинетическая энергия конвективных воздушных потоков значительно ниже кинетической энергии ветра, однако ее наличие при полном отсутствии ветра способно поддерживать ветроустановку в рабочем состоянии, и ее также можно преобразовать в другие виды энергии.
Известно модульное ветроэнергетическое устройство для преобразования энергии ветра в механическую энергию, принятое по совокупности общих технических признаков в качестве прототипа для заявляемой установки, которое содержит установленную на основании с возможностью свободного вращения ротора вокруг оси лопастную турбину и средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора турбины, при этом ротор лопастной турбины установлен с возможностью вращения вокруг горизонтально ориентированной оси, средство улавливания и направления потока текучей среды содержит, по меньшей мере, один основной направляющий элемент, формирующий наклонную направляющую поверхность, ориентированную вдоль горизонтальной оси вращения ротора и выполненную и расположенную с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора [патент US №6481957 В1, опубл. 19.11.2002, F03D 3/04]. В данном устройстве все же не удается обеспечить максимальную концентрацию потока на лопасти по направлению вращения ротора, и не предложено решение задачи экранирования потока текучей среды, направленного на лопасти против вращения ротора.
Таким образом, задачей полезной модели является создание универсальной установки горизонтально-лопастного типа для преобразования энергии движущейся, прежде всего природной текучей среды в полезную энергию, которая обеспечивала бы увеличение коэффициента использования энергии потока не зависимо от вида текучей среды (воздух или вода) и от формы и структуры профиля лопастей, в том числе за счет полного исключения потока, направленного против направления вращения ротора. Установка должна обеспечивать также увеличение скорости природной текучей среды, направленной на рабочие органы, и, с одной стороны, поддержание работоспособности в условиях, когда естественный поток слишком слаб, а, с другой стороны, повышение устойчивости к потоку среды разрушительной силы, например ветру ураганной силы.
Поставленная задача решается, и заявленные технические результаты достигаются установкой для преобразования энергии текучей среды, включающей установленную на основании с возможностью свободного вращения ротора вокруг оси лопастную турбину и средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора турбины. При этом ротор лопастной турбины установлен с возможностью вращения вокруг горизонтально ориентированной оси, средство улавливания и направления потока текучей среды содержит, по меньшей мере, один основной направляющий элемент, формирующий наклонную направляющую поверхность, ориентированную вдоль горизонтальной оси вращения ротора и выполненную и расположенную с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора. Поставленная задача решается, и технические результаты достигаются, в частности, за счет того, что верхняя в направлении потока текучей среды горизонтальная граница основной наклонной направляющей поверхности лежит в плоскости горизонтальной оси вращения ротора.
При всей простоте конструкции заявляемая установка способна обеспечивать увеличение коэффициента использования энергии воздушного (водного) потока при ее размещении на крышах строений, верхних элементах конструкций или просто возвышенностях, в руслах рек и других водоемов и т.п. Наличие основного/ых направляющего/их элемента/ов, формирующего/их наклонную направляющую поверхность, ориентированную вдоль горизонтальной оси вращения ротора и выполненную и расположенную с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора, обеспечивает увеличение скорости потока текучей среды, ометающей лопасти турбины горизонтально-лопастного типа. Это утверждение подтверждается, в частности, следующим. Известно, что мощность ветрогенераторов зависит от скорости ветра и ометаемой площади (аналогично для гидрогенераторов)
N=pSV3/2,
где V - скорость ветра (воды), р - плотность потока текучей среды (воздуха, воды), S - ометаемая площадь [5]. При этом плотность воздушного/водного потока р изменяется незначительно и может рассматриваться как величина постоянная.
В соответствии с уравнением неразрывности потока газа (аналогично для потока воды), отражающим физический закон сохранения массы
ν1ω1=ν2ω2,
где ν1 - скорость потока текучей среды на входе, ω1 - площадь входного поперечного сечения, ν2 - скорость потока текучей среды на выходе, а ω2 - площадь выходного поперечного сечения.
Из приведенного выше уравнения неразрывности потока можно получить формулу скорости потока для выходного сечения
v2=v1ω1/ω2,
из которой следует, что скорость v2 увеличивается обратно пропорционально изменению площади выходного сечения ω2 потока, т.е. при уменьшении площади поперечного сечения скорость потока увеличивается, и прямо пропорционально изменению скорости v1 входного потока и площади ω1 входного поперечного сечения, т.е. увеличивая площадь забора потока (площадь входного поперечного сечения) в три раза и концентрируя его на лопастях турбины, скорость v2 выходного потока возрастет до трех раз, что соответственно существенно увеличивает КПД установки.
Более того, благодаря описанным выше особенностям выполнения средства улавливания и направления потока текучей среды достигается практически абсолютная устойчивость установки к потоку текучей среды любой силы, т.к. обеспечивается защита лопастей ротора и турбины в целом от избыточной энергии. В случае, когда поток текучей среды превышает пропускную способность средства улавливания и направления потока текучей среды, его «излишки», не попадая в зону направляющих элементов, обтекают установку с боков и сверху, при этом исключается необходимость останавливать процесс преобразования энергии.
Следует также отметить, что достижение заявленных технических результатов обеспечивается именно особенностями выполнения и расположения средства направления воздушных потоков и, практически, не зависит от формы выполнения турбины, ротора и его лопастей. В связи с этим вопросы возможных конструкций турбин, роторов и лопастей в рамках настоящего описания рассматриваться не будут.
В общем случае для решения поставленной задачи заявляемая установка может содержать один наклонно расположенный направляющий элемент, формирующий наклонную направляющую поверхность (для направления текучей среды), которая уменьшает площадь выходного сечения потока и одновременно закрывает лопасти ротора от обратного потока. В то же время в различных предпочтительных формах реализации заявляемой установки в конструкции средства улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора могут быть предусмотрены дополнительные направляющие элементы. В частности, может быть предусмотрено, по меньшей мере, два дополнительных боковых направляющих элемента обтекаемой формы, расположенных под углом к основному направляющему элементу. Такие дополнительные боковые элементы в меньшей степени уменьшают площадь выходного сечения, но ограничивают растекание движущейся среды и обеспечивают ее движение к лопастям. Все - основной и дополнительные направляющие элементы имеют обтекаемую форму и монтируются в случаях необходимости дополнительного увеличения скорости потока.
Также предпочтительными являются формы реализации, в которых заявляемая установка содержит два основных направляющих элемента, каждый из которых формирует наклонную направляющую поверхность, при этом обе наклонные направляющие поверхности образуют сужающийся по направлению к ротору, ограниченный, по меньшей мере, снизу и сверху улавливатель потока текучей среды. Такие формы реализации позволяют дополнительно преобразовывать энергию потоков, которые перемещаются над установкой. В формах реализации с двумя основными направляющими могут использоваться и упомянутые выше дополнительные боковые направляющие.
Возможны также формы реализации, в которых по одному или по два основных направляющих элемента расположено с противоположных сторон горизонтальной оси вращения ротора.
В простейших формах реализации направляющая/ие поверхность/и выполнена/ы в виде плоскости, но возможны и другие, например радиально вогнутые формы.
Для установок, предназначенных для преобразования энергии воздушных потоков (ветроустановок), с учетом постоянно изменяющегося направления ветра, предпочтительными являются формы реализации, в которых основание выполнено подвижным и снабжено механизмом вращения для принятия установкой рабочего положения (например, для поворота в направлении максимальных потоков текучей среды), выполненным с возможностью привода, по меньшей мере, от одного источника энергии, выбранного из группы, включающей, по меньшей мере, энергии движущейся среды и/или электропривод, при этом установка дополнительно содержит средства настраивания турбины на поток. При этом средство настраивания турбины на поток предпочтительно может быть выполнено в виде, по меньшей мере, одного стабилизатора направления турбины, установленного в плоскости, перпендикулярной к поверхности лопастей.
Для более эффективного преобразования энергии потоков текучей среды и увеличения выходной мощности установки она может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную турбину. Оси вращения турбин в этом случае располагаются в различных горизонтальных плоскостях и в одной либо различных вертикальных плоскостях. При этом средство улавливания и направления потока текучей среды выполнено и расположено с возможностью направления потока текучей среды в зоны лопастей всех турбин.
В различных формах реализации заявляемой установки текучая среда может быть выбрана из группы, включающей, по меньшей мере, естественный воздушный поток (ветер), естественный водный поток (течение реки), искусственный водный поток (искусственное водохранилище и т.п.).
Выше уже упоминалось, что наклонная направляющая поверхность выполнена и расположена с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения турбины.
В энергоустановках для преобразования энергии текучей среды в виде водного потока это условие обеспечивается за счет выполнения и расположения основного направляющего элемента с возможностью направления потока на лопасти ниже оси вращения турбины, при этом в зоне над турбиной основной направляющий элемент снабжен отражателем потока, защищающим лопасти турбины от дополнительных («излишних») объемов потоков воды.
В энергоустановках для преобразования энергии текучей среды в виде воздушного потока это условие обеспечивается за счет того, что основной направляющий элемент выполнен и расположен с возможностью направления потока на лопасти турбины выше оси вращения турбины.
Заявляемая установка для преобразования энергии потока текучей среды благодаря оригинальности описанной выше конструкции, прежде всего, средства улавливания и направления потока текучей среды позволяет использовать для обеспечения непрерывности ее функционирования различные естественные природные процессы и явления.
Еще одним немаловажным преимуществом заявляемой установки является возможность ее использования для преобразования энергии потоков воздушных или водных масс в самые различные виды полезной энергии. Так, в зависимости от потребностей установка может быть выполнена в виде установки для преобразования кинетической энергии движущейся текучей среды в кинетическую энергию сжатого воздуха, и/или в электрическую энергию, и/или в механическую энергию, и/или в тепловую энергию.
Описанные выше и другие достоинства и преимущества заявляемой установки будут более подробно рассмотрены ниже на некоторых предпочтительных, но не ограничивающих примерах реализации, со ссылками на позиции чертежей, на которых схематично представлены:
фиг. 1 - общий вид заявляемой установки в одной их форм реализации (ветроустановка);
фиг. 2 - вид сбоку (перпендикулярно оси вращения турбины) установки по фиг. 1;
фиг. 3 - вид сбоку установки во второй форме реализации (ветроустановка);
фиг. 4 - вид сбоку установки в третьей форме реализации (ветроустановка);
фиг. 5 - вид сбоку установки в четвертой форме реализации (гидроустановка).
На фиг. 1 и 2 в общем виде и в виде сбоку представлена заявляемая установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию в первом варианте исполнения - ветроустановка. Установка включает установленную на основании 1 с возможностью свободного вращения ротора 2 вокруг горизонтально ориентированной оси 3 лопастную турбину 4 и средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей 5 ротора 2, содержащее в данной форме реализации два основных направляющих элемента 6. Каждый основной направляющий элемент 6 формирует наклонную направляющую поверхность 7, ориентированную вдоль горизонтальной оси 3 вращения ротора 2 (с противоположных сторон от оси 3). Верхняя горизонтальная граница 8 каждой наклонной направляющей поверхности 7 лежит в плоскости 9 (см. фиг. 2) горизонтальной оси 3 вращения ротора 2. Таким образом, каждая наклонная направляющая поверхность 7 выполнена и расположена с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора 2, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора 2. Стрелками на фиг. 2 обозначены потоки воздуха, «концентрируемые» в зоне лопастей 5 ротора 2.
На фиг. 3 схематично изображен вид сбоку установки во второй форме реализации, в которой по сравнению с рассмотренной выше формой предусмотрен/ы второй/ые основной/ых направляющий/ие элемент/ы 10, который/ые формирует/ют соответствующую наклонную направляющую поверхность 11, которая вместе с наклонной направляющей поверхностью 7 образует сужающийся по направлению к ротору 2 ограниченный, по меньшей мере, снизу и сверху улавливатель («ловушка») 12 потока текучей среды.
На фиг. 4 схематично изображен вид сбоку установки в третьей форме реализации, в которой по сравнению с рассмотренной выше формой по фиг. 1, 2 в зоне над турбиной (над ротором 2) предусмотрен концентратор 13 с радиально выпуклой нижней поверхностью 14.
На фиг. 5 схематично изображен вид сбоку установки в четвертой форме реализации, которая является особенно эффективной при использовании в гидроэнергетике. Установка в данной форме реализации включает установленную на основании 15 с возможностью свободного вращения ротора 16 вокруг горизонтально ориентированной оси 17 лопастную турбину 18 и средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей 19 ротора 16, содержащее в данной форме реализации основной направляющий элемента 20. Основной направляющий элемент 20 формирует наклонную направляющую поверхность 21, ориентированную вдоль горизонтальной оси 17 вращения ротора 16. Верхняя горизонтальная граница 22 наклонной направляющей поверхности 21 лежит в плоскости (позицией на чертежах не обозначена) горизонтальной оси 17 вращения ротора 16. Таким образом, наклонная направляющая поверхность 21 выполнена и расположена с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора 16, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора 16. Стрелками на фиг. 5 обозначены потоки воды, «концентрируемые» в зоне лопастей 19 ротора 16 и «излишки» потоков воды, обтекающие ротор 16. В представленной форме реализации в зоне над ротором 16 основной направляющий элемент 20 снабжен отражателем 23 потока.
Формы реализации по фиг. 1 - 4 являются примерами некоторых из возможных в рамках формулы изобретения установок, эффективных в ветроэнергетике, а по фиг. 5 - в гидроэнергетике. При этом для специалистов в данной области техники будут очевидны формы реализации, упомянутые в рамках данной полезной модели, но подробно не проиллюстрированные с помощью графических материалов (выполнение направляющих элементов с формированием неплоских направляющих поверхностей, выполнение основания подвижным (механизм вращения 24 на фиг. 2), оснащение установки средством настраивания турбины на поток (стабилизатор направления турбины 25 и одной или несколькими дополнительными турбинами и т.п.)
Заявляемая установка работает следующим образом.
Турбину 2 (18) устанавливают на основании 1 (15) таким образом, что ось 3 (17) вращения ротора 2 (16) расположена горизонтально. При этом основание 1 (15) может быть как статичным, так и подвижным (снабжено механизмом 24 вращения, выполненным с возможностью привода, по меньшей мере, от одного источника энергии, как то энергия движущейся среды и/или электропривод и т.п.). В случае подвижного основания 1 (15) установку дополнительно оснащают средством настраивания турбины 2 (18) на поток, например стабилизаторами 25 направления турбины 2 (18), установленными в плоскости, перпендикулярной к поверхности лопастей 5 (19). В рамках данной полезной модели формы реализации упомянутых средств не являются существенными и подробно не рассматриваются, т.к. они хорошо известны и понятны специалистам в данной области техники.
Средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора 2 (16) турбины 4 (18) устанавливают таким образом, что каждый основной направляющий элемент 6 (10, 20) формирует наклонную направляющую поверхность 7 (11, 21), ориентированную вдоль горизонтальной оси 3 (17) вращения ротора 2 (16). Горизонтальная граница 8 (22) наклонной направляющей поверхности 7 (21) располагают таким образом, что экранируется часть потока текучей среды, направленного против вращения ротора 2 (16), с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора 2 (16).
С учетом природы текучих сред, воздушные и водные потоки, встречая на своем пути препятствие в виде заявляемой установки, стремятся это препятствие обогнуть сбоку и/или сверху. Однако в установке предусмотрено средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора 2 (16) турбины 4 (18), которое посредством наклонных направляющих поверхностей 7 (11, 21) задает потоку необходимую траекторию.
С учетом «углового» по отношению к горизонтальной плоскости расположения образующих «ловушку» 12 основных наклонных направляющих элементов 6 (20), а также (в различных формах реализации):
дополнительных боковых направляющих элементов (на чертежах не изображены) обтекаемой формы, расположенных под углом к соответствующему основному направляющему элементу 6 (10, 20),
вторых основных наклонных направляющих элементов 10,
концентратора 13,
а также геометрии каждого направляющего элемента и общей геометрии средства улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей 5 (19) ротора 2 (16) турбины 4 (18), представляющей, по сути, сужающийся канал, где площадь входного сечения многократно превосходит площадь выходного сечения, в зоне ротора 2 (16) турбины 4 (18) удается создать высоко концентрированный воздушный поток, обладающий большим количеством кинетической энергии. Таким образом, этот концентрированный поток воздуха благодаря особенностям заявляемой конструкции подается непосредственно последовательно на каждую лопасть 5 (19), находящуюся в зоне выхода из соответствующей «ловушки» 12, причем подается под постоянно увеличивающимся углом, что обеспечивает наиболее эффективное преобразование кинетической энергии потоков в крутящий момент.
Таким образом, основной направляющий элемент 6 (10, 20), ограничивая силу, направленную против вращения ротора 2 (16), за счет экранировании соответствующих «паразитных» потоков уменьшает площадь сечения текучей среды, что, как уже было подробно рассмотрено выше, увеличивает скорость потока (пропорционально уменьшению площади сечения), и концентрирует поток непосредственно в зоне лопастей 5 (19), обеспечивая вращение ротора 2 (16) турбины 4 (18). Наличие дополнительных направляющих элементов в различных условиях эксплуатации установки может дополнительно увеличивать эффективность преобразования.
Важным является также то, что заявляемая установка обладает повышенной устойчивостью и может работать как при низких, так и при сверхвысоких скоростях потока. Оптимально подходит для размещения на плоских крышах строений, на возвышенностях, а также руслах рек и других водоемов.

Claims (10)

1. Установка для преобразования энергии текучей среды, включающая установленную на основании с возможностью свободного вращения ротора вокруг оси лопастную турбину и средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора турбины, при этом ротор лопастной турбины установлен с возможностью вращения вокруг горизонтально ориентированной оси, средство улавливания и направления потока текучей среды содержит, по меньшей мере, один основной направляющий элемент, формирующий наклонную направляющую поверхность, ориентированную вдоль горизонтальной оси вращения ротора и выполненную и расположенную с возможностью экранирования части потока текучей среды, направленного против вращения ротора, с одновременной концентрацией текучей среды по направлению вращения ротора, отличающаяся тем, что верхняя в направлении потока текучей среды горизонтальная граница основной наклонной направляющей поверхности лежит в плоскости, горизонтальной оси вращения ротора.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что средство улавливания и направления потока текучей среды в зону лопастей ротора содержит, по меньшей мере, два дополнительных боковых направляющих элемента обтекаемой формы, расположенных под углом к основному направляющему элементу.
3. Установка по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержит два основных направляющих элемента, каждый из которых формирует наклонную направляющую поверхность, при этом обе наклонные направляющие поверхности образуют сужающийся по направлению к ротору, ограниченный, по меньшей мере, снизу и сверху улавливатель потока текучей среды.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что направляющая поверхность выполнена в виде плоскости.
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что основание выполнено подвижным и снабжено механизмом вращения, выполненным с возможностью привода, по меньшей мере, от одного источника энергии, выбранного из группы, включающей, по меньшей мере, энергии движущейся среды и/или электропривод, при этом установка дополнительно содержит средства настраивания турбины на поток.
6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что средство настраивания турбины на поток выполнено в виде, по меньшей мере, одного стабилизатора направления турбины, установленного в плоскости, перпендикулярной к поверхности лопастей.
7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, одну дополнительную турбину, при этом средство улавливания и направления потока текучей среды выполнено и расположено с возможностью направления потока текучей среды в зоны лопастей роторов всех турбин.
8. Установка по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что текучая среда выбрана из группы, включающей, по меньшей мере, естественный воздушный поток, естественный водный поток, искусственный водный поток.
9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что для текучей среды в виде водного потока основной направляющий элемент выполнен и расположен с возможностью направления потока на лопасти ниже оси вращения ротора, при этом в зоне над ротором основной направляющий элемент снабжен отражателем потока.
10. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что для текучей среды в виде воздушного потока основной направляющий элемент выполнен и расположен с возможностью направления потока на лопасти выше оси вращения ротора.
RU2016141240U 2014-03-20 2014-06-17 Установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию RU179621U1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BY20140104 2014-03-20
PCT/BY2014/000005 WO2015139106A1 (ru) 2014-03-20 2014-06-17 Установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU179621U1 true RU179621U1 (ru) 2018-05-21

Family

ID=54143565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016141240U RU179621U1 (ru) 2014-03-20 2014-06-17 Установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU179621U1 (ru)
WO (1) WO2015139106A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3100289B1 (fr) * 2019-08-30 2022-12-16 Wind My Roof Dispositif éolien pour la récupération de l’énergie éolienne pour des bâtiments

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3986786A (en) * 1974-06-28 1976-10-19 Sellman Donald L Wind motors
US6481957B1 (en) * 1998-10-20 2002-11-19 Bruce I. Brill Modular wind energy device
US20100213716A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Santoro Stephen P Fluid flow energy concentrator
RU105949U1 (ru) * 2010-11-16 2011-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "МГЭС" (НПП "МГЭС") Свободнопоточная микрогидроэлектростанция
US8350396B2 (en) * 2009-03-17 2013-01-08 Harry Edward Dempster Water-current paddlewheel-based energy-generating unit having a tapered partial covering structure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3986786A (en) * 1974-06-28 1976-10-19 Sellman Donald L Wind motors
US6481957B1 (en) * 1998-10-20 2002-11-19 Bruce I. Brill Modular wind energy device
US20100213716A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Santoro Stephen P Fluid flow energy concentrator
US8350396B2 (en) * 2009-03-17 2013-01-08 Harry Edward Dempster Water-current paddlewheel-based energy-generating unit having a tapered partial covering structure
RU105949U1 (ru) * 2010-11-16 2011-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "МГЭС" (НПП "МГЭС") Свободнопоточная микрогидроэлектростанция

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015139106A1 (ru) 2015-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2010359619B2 (en) Vertical axis turbine
US8177478B2 (en) Darrieus water wheel turbine
US10770952B2 (en) Device for converting kinetic energy of a flowing medium to electrical energy
CN105484930A (zh) 一种阻力型水轮机及水力发电系统
CN205445884U (zh) 一种阻力型水轮机及水力发电系统
EP3096002B1 (en) Shutter door-type load regulating apparatus and marine power electric generator apparatus applying same
CN202117850U (zh) 一种流体能量提升和转换装置
CN103291527A (zh) 垂直轴水力发电装置
CN104612884A (zh) 水力发电机、水力发电系统及并网发电方法
CN204253278U (zh) 一种基于变桨距控制原理的s型风力机
RU179621U1 (ru) Установка для преобразования энергии движущейся текучей среды в полезную энергию
EP3147500B1 (en) Vertical axis wind machine having controllable output power
CN203670079U (zh) 一种叶片伸缩式潮流能发电装置
RU2673021C2 (ru) Ветродвигатель
CN106870258B (zh) 一种江河流叶片可变角水轮发电机组
Mahale et al. Vertical axis wind turbine: A lucid solution for global small scale energy crisis
GB2477750A (en) Combined vertical and horizontal axis wind generator
KR20110094833A (ko) 집수기를 갖는 파 력 발전기와 집 풍기를 갖는 풍력 발전기와 태양 광 발전기의 하이브리드 방식
CN204493056U (zh) 一种水力发电机和水力发电系统
KR102028668B1 (ko) 무저항 풍력 또는 수력 발전장치
CN203230517U (zh) 一种利用自然能发电的装置
CN109931202B (zh) 一种偏心重力发动机
CN207363814U (zh) 一种横向潮流发电装置
CN204436680U (zh) 一种高效斜击式水轮发电机
SK287751B6 (sk) Prietoková turbína s otočnými lopatkami

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200618