RU2322610C2

RU2322610C2 - Ветряная турбина с вертикальной осью (варианты)

Info

Publication number: RU2322610C2
Application number: RU2006105624/06A
Authority: RU
Inventors: Ричард КОХРАН (GB); Ричард КОХРАН
Original assignee: Квайэт Револьюшн Лимитед
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2008-04-20
Also published as: GB2404227A; EP1649163A1; CN100353053C; GB2415750B; EP1649163B1; CN1826464A; GB0317337D0; WO2005010355A1; RU2006105624A; AU2004259896A1; US20110280708A1; CA2533426C; AU2004259896B2; GB2415750A; GB0519672D0; CA2533426A1; GB2404227B; AU2004259896A2

Abstract

Изобретение относится к ветряной турбине с вертикальной осью вращения, которая может быть использована для выработки электроэнергии. Ветряная турбина содержит вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество лопастей, механически присоединенных к этому валу. Каждая из лопастей представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга по продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку, хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, причем аэродинамическая поверхность имеет дугообразную форму, так что средняя линия профиля этой аэродинамической поверхности проходит по линии постоянной кривизны, имеющей радиус кривизны R'. В другом варианте выполнения длина средней линии профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно длины центрального участка каждой лопасти. Конструкция турбины обеспечит повышение равномерности вращения на высоких скоростях, а также снижение уровня шума. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к ветряным турбинам с вертикальной осью, используемым в основном, но не исключительно, для выработки электроэнергии.

Ветряные турбины с вертикальной осью хорошо известны. Пример ранней ветряной турбины раскрыт в патенте US 1835018, в котором описана турбина, имеющая три лопасти, вращающиеся вокруг вала, который расположен поперек к приводящему его в действие воздушному потоку. Каждая лопасть имеет сечение в виде аэродинамической поверхности, которая приводит к образованию аэродинамической подъемной силы, когда воздух проходит по верхней и нижней аэродинамическим поверхностям.

Схематическая иллюстрация работы двухлопастной ветряной турбины с вертикальной осью показана на фиг.1. Каждая лопасть 10 имеет аэродинамическую конфигурацию, которая тангенциально выровнена относительно ее локального радиуса вращения вокруг вала 2. Номинальная скорость ветра показана стрелкой W_n, a мгновенная скорость верхней лопасти 10 показана стрелкой v. В положении, показанном на фиг.1, лопасти 10 перемещаются поперек направления движения ветра таким образом, что истинная скорость ветра, испытываемая лопастью, имеет направление и величину, как это показано стрелкой W_a. Подъемная сила, производимая лопастью с аэродинамической поверхностью, является перпендикулярной истинному направлению ветра W_a и, таким образом, действует в направлении стрелки 1. Составляющий компонент силы 1, действующей перпендикулярно радиусу вращения лопасти, заставляет лопасть 10 вращаться вокруг вала 2. Произведенная подъемная сила заставляет вращаться вал так, что лопасти 10 перемещаются попеременно от положений, где они активно производят подъемную силу, когда пересекают направление воздушного потока W_n, к положениям, где они вращаются по инерции, когда они выровнены по направлению ветра W_n. Вращение вала 2 может использоваться для выработки электроэнергии известным в данной области техники способом. Ветряные турбины с вертикальной осью имеют преимущество перед ветряными турбинами с горизонтальной осью в том, что их не требуется ориентировать согласно основному направлению ветра, причем они способны выполнять вращательное движение независимо от направления воздушного потока.

Однако у ветряных турбин с вертикальной осью имеются определенные технические проблемы. Во-первых, из-за центробежных сил, производимых при вращении турбины на высоких скоростях, лопасти могут подвергаться воздействию, возникаемых в них высоких нагрузок. Во-вторых, рассекание лопастями воздуха на высоких скоростях вращения может приводить к недопустимым уровням шума, производимого большими турбулентными потоками, образующимися на концах лопастей. В-третьих, ветряные турбины с вертикальной осью могут производить от своих несущих поверхностей неравномерный крутящий момент, поскольку их лопасти попеременно то пересекают направление воздушного потока, то движутся по инерции.

В патенте US 5405246 описана ветряная турбина с вертикальной осью, которая содержит две или более удлиненных лопастей, присоединенных к роторной мачте. Каждая лопасть "изогнута" таким образом, что нижняя точка ее прикрепления смещена под углом относительно верхней точки ее прикрепления. Каждая такая лопасть тангенциально сориентирована относительно локального радиуса, как это показано на фиг.1а и 1b. Длина сечения каждой лопасти меньше посередине и больше у концов. Отношение между длиной сечения лопасти и толщиной лопасти является постоянным по всей длине каждой лопасти. Изогнутость данных лопастей помогает в некоторой степени выровнять крутящий момент, производимый турбиной во время ее вращения, поскольку какой-либо участок, по меньшей мере, одной лопасти будет постоянно находиться в положении пересечения воздушного потока и, таким образом, вся турбина никогда не будет полностью находиться в положении вращения по инерции. Однако было замечено, что конструкция турбины, описанной в патенте US 5405246, может быть улучшена в соответствии с приводимым ниже описанием, относящимся к настоящему изобретению, особенно в применении к относительно компактным турбинам, которые могут быть предпочтительнее для эксплуатации в городских условиях.

В публикации US 2001/0001299 описана ветряная турбина с вертикальной осью, имеющая дугообразные секции с аэродинамической поверхностью, где самые крайние поверхности этих лопастей в основном сориентированы так, что они располагаются по кругу, чтобы хорда (линия, соединяющая ведущую и хвостовую кромки аэродинамической поверхности) каждой лопасти образовывала хорду дуги круга. Было обнаружено, что конструкция, описанная в US 2001/0001299, может быть усовершенствована в соответствии с приводимым ниже описанием, относящимся к настоящему изобретению, особенно, в применении к относительно компактным турбинам, которые могут быть предпочтительнее для эксплуатации в городских условиях.

Целью настоящего изобретения является создание ветряной турбины с вертикальной осью, которая позволяла бы устранить, по меньшей мере, некоторые из описанных проблем с тем, чтобы обеспечить более эффективную и приемлемую конструкцию с лучшими показателями по сравнению с известными в данной области конструкциями ветряных турбин с вертикальной осью.

Согласно настоящему изобретению создана ветряная турбина с вертикальной осью, содержащая вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество по существу жестких лопастей, механически присоединенных к этому валу, при этом каждая из множества лопастей представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга по продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую и хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, при этом аэродинамическая поверхность имеет дугообразную форму, так что средняя линия профиля аэродинамической поверхности проходит по линии постоянной кривизны с радиусом кривизны R'.

Предпочтительно, радиальное расстояние R средней линии L профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти, измеряемое от продольной оси, меняется по длине лопасти.

Предпочтительно, 1,00R≤R'≤1,12R.

Предпочтительно, радиус кривизны R' средней линии профиля аэродинамической поверхности меняется по длине каждой лопасти.

Предпочтительно, R' приблизительно равно 1,03R.

Предпочтительно, R' равняется R.

Предпочтительно, форма лопасти приближается к форме скрученного по оси каната.

Предпочтительно, длина хорды каждой лопасти меняется по длине каждой лопасти.

Предпочтительно, длина хорды каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно центрального участка каждой лопасти.

Турбина может дополнительно содержать множество распорок, которые механически прикрепляют лопасти к валу.

Предпочтительно, каждая лопасть присоединена к валу при помощи верхней и нижней распорок.

Предпочтительно, вытянутое тело каждой лопасти содержит центральный участок, проходящий между верхней и нижней распорками лопасти, верхний участок, проходящий над верхней распоркой лопасти, и нижний участок, проходящий под нижней распоркой лопасти.

Предпочтительно, верхний участок каждой лопасти образует верхний конец, причем верхний конец является свободно стоящим.

Предпочтительно, нижний участок каждой лопасти образует нижний конец, причем этот нижний конец является свободно стоящим.

Предпочтительно, радиальное расстояние верхнего конца и нижнего конца каждой лопасти от продольной оси является меньшим, чем длина распорок.

Предпочтительно, верхняя распорка присоединена к верхнему концу каждой лопасти, а нижняя распорка присоединена к нижнему концу каждой лопасти.

Предпочтительно, отношение толщина-хорда каждой лопасти является большим в или вблизи места ее соединения с распорками по сравнению с отношением толщина-хорда ее центрального участка.

Предпочтительно, отношение толщина-хорда каждой лопасти увеличивается к верхнему и/или нижнему концам ее вытянутого тела по сравнению с отношением толщина-хорда ее центрального участка.

Предпочтительно, отношение толщина-хорда каждой лопасти является постоянным по всему ее вытянутому телу.

Турбина может дополнительно содержать три лопасти, которые разнесены на одинаковое друг от друга расстояние вокруг продольной оси.

Предпочтительно, турбина дополнительно содержит, по меньшей мере, одну распорку, расположенную между каждой лопастью и вращающимся валом, причем распорка выполнена за одно целое с лопастью.

Кроме того, турбина может дополнительно содержать, по меньшей мере, один дискообразный элемент, занимающий пространство между каждой лопастью и вращающимся валом.

Предпочтительно, по меньшей мере, один дискообразный элемент расположен на концах ее лопастей.

Предпочтительно, каждая лопасть представляет собой сердцевину, выполненную из вспененного материала, и композитную оболочку.

Согласно дополнительному объекту настоящего изобретения создана ветряная турбина с вертикальной осью, содержащая вращающийся вокруг продольной оси вал, и множество по существу жестких лопастей, механически присоединенных к валу, при этом каждая из множества лопастей представляет собой удлиненное тело, имеющее верхний и нижний концы, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга вокруг продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку и хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, при этом длина средней линии профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно длины центрального участка каждой лопасти.

Предпочтительно, верхний или нижний конец является подветренным концом каждой лопасти.

Далее варианты воплощения настоящего изобретения будут описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид сверху вращающейся ветряной турбины с вертикальной осью;

Фиг.1a - схематичный вид в перспективе лопасти ветряной турбины с вертикальной осью согласно предшествующему уровню техники, как это описано в патенте US 5405246;

Фиг.1b - схематичное сечение лопасти с фиг.1а, причем показано ее сечение на четырех уровнях;

Фиг.2 - вид в перспективе ветряной турбины с вертикальной осью согласно настоящему изобретению;

Фиг.3а - схематичный вид в перспективе участка лопасти ветряной турбины с вертикальной осью с фиг.2;

Фиг.3b - схематичное сечение лопасти с фиг.3а, причем показано ее сечение на четырех уровнях;

Фиг.4 - сечение, проходящее через участок лопасти, показанной на фиг.3а; и

Фиг.5 - схематичный вид сверху лопасти другой ветряной турбины с вертикальной осью согласно настоящему изобретению.

Как показано на фиг.2, согласно настоящему изобретению создана ветряная турбина 1 с вертикальной осью, имеющая вращающийся вал 2, выровненный по существу вдоль продольной оси 7. Три лопасти 10 механически присоединены к вращающемуся валу 2 с помощью распорок 3, 4. Каждая лопасть 10 присоединена к вращающемуся валу 2 с помощью верхней распорки 3, которая присоединяется к верхней ступице 5, находящейся на вращающемся валу 2, и с помощью нижней распорки 4, которая присоединяется к нижней ступице 6, находящейся на вращающемся валу 2. Распорки 3, 4 являются по существу горизонтальными и перпендикулярными продольной оси 7.

Каждая лопасть 10 представляет собой удлиненное тело 11, которое изогнуто вокруг продольной оси 7 в спиралевидную форму. В результате верхняя распорка 3 каждой лопасти 10 ротационно смещена на вращающемся валу 2 относительно нижней распорки 4, как это показано на фиг.2. Спиралевидная форма лопастей 10 обеспечивает то, что профиль крутящего момента турбины 1 сглаживается, поскольку какой-либо участок, по меньшей мере, одной из этих трех лопастей 10 всегда находится в положении, пересекающем окружающий ветер W_a. Сглаженный профиль крутящего момента также уменьшает циклическую нагрузку на компоненты турбины, поскольку турбина меньше подвержена воздействию максимальных крутящих моментов. Это приводит к сокращению усталостного нагружения на компоненты. Эта конструкция также позволяет турбине 1 обеспечивать улучшенные характеристики работы при низких скоростях ветра. Все это делает турбину 1 согласно настоящему изобретению особенно подходящей для использования в городских условиях, где скорости воздушного потока могут быть уменьшенными и/или более турбулентными из-за наличия зданий и других искусственно возведенных сооружений.

Удлиненное тело 11 каждой лопасти 10 содержит центральную часть 12, проходящую между верхней и нижней распорками 3, 4, верхний участок 13, проходящий над верхней распоркой 3, и нижний участок 14, проходящий под нижней распоркой 4. Верхний участок 13 проходит вверх к верхнему концу 15, который является свободно стоящим. Нижний участок 14 проходит вниз к нижнему концу 16, который также является свободно стоящим.

Радиальное расстояние R удлиненного тела 11 каждой лопасти 10 от продольной оси 7 изменяется по длине лопасти 10, как это показано на фиг.2, а также схематично на фиг.3а и 3b. Предпочтительно, чтобы лопасти 10 были выполнены в форме спирали (тропоскейна). При этом спиральная форма является формой, принимаемой гибким элементом, удерживаемом на любом из двух своих концов и выгнутым по оси, проходящей через любой из этих двух концов. Как можно видеть, радиальное расстояние R центрального участка 12 является

чем радиальное расстояние верхнего или нижнего участка 13, 14. Приданием лопасти 10 формы спирали обеспечивается то, что прогибы лопасти под воздействием центробежных сил минимальны.

Как показано на фиг.2, верхний конец 15 и нижний конец 16 лопасти 10 находятся ближе к продольной оси 7, чем лопасть 10 в местах ее соединения с верхней распоркой 3 и нижней распоркой 4.

Прикрепление распорок 3, 4 на некотором расстоянии от концов удлиненного тела 11 каждой лопасти 10 является предпочтительным, поскольку эти распорки обеспечивают более равномерно распределенную поддержку лопасти 10. А именно, максимальный промежуток между распорками 3, 4 является уменьшенным по сравнению с тем, когда распорки установлены на концах лопасти 10, и, таким образом, напряжение при изгибе, воздействию которого подвергается удлиненное тело 11, уменьшается. Однако эти распорки могут, если желательно, быть помещены на концах удлиненного тела 11.

Лопастная секция выполнена в форме аэродинамической поверхности, как это наиболее ясно показано на фиг.3b и 4. Эта секция с аэродинамической поверхностью включает ведущую кромку 17 и хвостовую кромку 18. Эта секция также включает верхнюю аэродинамическую поверхность 19, которая является той поверхностью лопасти 10, которая дальше всего находится от вращающегося вала 2, и нижнюю аэродинамическую поверхность 20, которая является той поверхностью лопасти 10, которая расположена ближе всего к вращающемуся валу 2.

Хорда С проходит между ведущей кромкой 17 и хвостовой кромкой 18 секции с аэродинамической поверхностью. Эта хорда С представляет собой прямую линию. Изогнутая средняя линия L профиля аэродинамической поверхности также проходит между ведущей кромкой 17 и хвостовой кромкой 18 секции с аэродинамической поверхностью. Как наиболее ясно показано на фиг.3b и 4, секция с аэродинамической поверхностью лопасти 10 согласно настоящему изобретению имеет такую форму, что средняя линия L профиля аэродинамической поверхности, проходящая между ведущей кромкой 17 и хвостовой кромкой 18 аэродинамической поверхности, является не прямой, а дугообразной, и имеет постоянную кривизну с конечным радиусом кривизны. Другими словами, секция с аэродинамической поверхностью каждой лопасти 10 «обернута» вокруг центра искривления. Следовательно, средняя линия L профиля аэродинамической поверхности не находится на хорде секции с аэродинамической поверхностью. В варианте воплощения ветряной турбины с вертикальной осью, показанной на фиг.2-4, центр кривизны совпадает с продольной осью вращения 7 ветряной турбины. Другими словами, средняя линия профиля аэродинамической поверхности выгнута так, чтобы следовать за круговой линией, вдоль которой перемещается аэродинамическая поверхность, вращаясь вокруг оси 7. В результате вращение лопасти против ветра будет минимизировано. Это обертывание секции с аэродинамической поверхностью приводит к положительным результатам, особенно в турбинах, где длина средней линии L профиля аэродинамической поверхности является большой относительно радиуса ветряной турбины с вертикальной осью, что является важным конструктивным показателем для малых турбин, где воздействие эффекта аэродинамической вязкости может ограничивать использование аэродинамических поверхностей с короткой длиной средней линии профиля аэродинамической поверхности.

В дополнение к этому сечение аэродинамической поверхности является симметричным относительно средней линии L профиля аэродинамической поверхности. То есть расстояние от любой точки, лежащей на верхней аэродинамической поверхности 19 аэродинамической секции (показанное на фиг.4 как T₁), измеряемое по перпендикуляру, опущенному на среднюю линию L профиля аэродинамической поверхности (то есть радиально от оси 7), будет тем же самым, что и расстояние от той же средней линии L до нижней аэродинамической поверхности 20 (показанной на фиг.4 как Т₂). Эта симметричная комбинация и обвертывание аэродинамической секции увеличивают эффективность подъемной силы, производимой ветряной турбиной с вертикальной осью, по сравнению с образцами согласно предшествующему уровню техники. Такое положение достигается благодаря тому, что секция с аэродинамической поверхностью, вращаясь вокруг вала 2, производит подъемную силу более длительный период времени, поскольку, когда эта лопастная секция пересекает воздушный поток, то она под ветром, оказываясь симметричной по всей длине средней линии профиля аэродинамической поверхности, оптимизирует таким образом общую движущую силу для вращения ветряной турбины с вертикальной осью. Для сравнения, использование тангенциально симметричных лопастей, как это описано в патенте US 5405246, является менее эффективным, так как там лопасть не является симметричной в подветренном положении, поскольку, когда эта лопасть вращается, то лопастная секция эффективно вращается под ветром и, таким образом, не остается симметричной. Это явление становится особенно очевидным, когда общий диаметр ветряной турбины с вертикальной осью является относительно малым, так что относительный угол вращения лопастной секции является более ощутимым в то время, когда данная лопасть пересекает направление ветра.

Как показано на фиг.4, секция с аэродинамической поверхностью образует секционную толщину Т. Предпочтительно, чтобы отношение толщина-хорда лопастей 10 менялось по длине лопасти. В одном варианте воплощения отношение толщина-хорда является больше в или вблизи верхнего конца 15 и/или нижнего конца 16, чем на центральном участке 12. Это особенно предпочтительно там, где лопасть 10 сужается, так что средняя линия L профиля аэродинамической поверхности уменьшается к концам лопасти, как это описано ниже. Увеличение отношения толщина-хорда по мере уменьшения средней линии профиля аэродинамической поверхности увеличивает диапазон углов атаки, при которых ветер может производить полезную подъемную силу.

Отношение толщина-хорда может также быть увеличено вблизи мест соединения между лопастью 10 и верхними распорками 3 и нижними распорками 4. В этом месте относительная скорость ветра уменьшается, поскольку расстояние лопасти 10 от продольной оси является меньшим, чем от середины центрального участка 12. Это приводит к очевидному изменению угла атаки ветра относительно лопасти 10. Увеличение отношения толщина-хорда лопасти 10 в этом месте увеличивает подъемный коэффициент лопасти, увеличивая тем самым движущую силу турбины 1. Увеличенное отношение толщина-хорда в этих местах также положительно влияет на увеличение механической прочности лопастей 10 в местах их присоединения к распоркам 3, 4, где механические нагрузки, передаваемые воздушным потоком, передаются на вращающийся вал 2.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения длина средней линии L профиля аэродинамической поверхности лопастей 10 может уменьшаться к верхнему концу 15 и/или к нижнему концу 16 по сравнению с длиной средней линии L профиля аэродинамической поверхности центрального участка 12. Таким образом, длина средней линии L профиля аэродинамической поверхности сужается по направлению к каждому концу, сокращая среднюю линию L профиля аэродинамической поверхности, когда лопасть 10 обвертывается вокруг продольной оси 7. Сужение лопасти способствует уменьшению аэродинамического сопротивления и выправляет поток воздушной струи от хвостовой кромки 18. Вместо испускания одиночного или малого количества больших интенсивных вихрей суженная форма обеспечивает более равномерное и менее интенсивное испускание большого количества завихрений вдоль лопасти. Это, в свою очередь, уменьшает шум, связанный с вращением турбины 1. Этот эффект наиболее виден на подветренном конце лопасти 10, который может быть верхним или нижним концом лопасти 10 в зависимости от направления движения спиралевидной конструкции, образованной лопастями. Лопасти 10, как таковые, могут быть сужены только к своему подветренному концу.

В другом аспекте настоящего изобретения лопасть 10 может быть выполнена за одно целое с верхней распоркой 3 и/или нижней распоркой 4. Этот цельный блок, состоящий из лопасти и штанги, может быть выполнен в виде сердцевины из вспененного материала и покрыт композитной оболочкой. Такая оболочка может быть выполнена, например, из углеродного волокна, стекловолокна или из смеси этих материалов.

В одном примере согласно настоящему изобретению турбина содержит три лопасти 10, каждая из которых имеет спиралевидную форму, как это показано на фиг.2. Лопасти проходят вертикально на высоту 3 метра. Ниже в таблице приведены размеры, соответствующие средней линии L профиля аэродинамической поверхности, толщине и радиусу каждой лопасти.

	Длина L средней линии профиля аэродинамической поверхности, мм	Толщина Т, мм	Радиус от оси, мм
Верхний конец	75	25	950
Центральный участок лопасти	200	50	1000
Нижний конец	75	25	550

Как видно из этой таблицы, нижний конец 16 расположен по радиусу ближе к продольной оси 7, чем верхний конец 15.

На фиг.5 показан другой вариант воплощения ветряной турбины с вертикальной осью согласно настоящему изобретению. В этом варианте воплощения лопасть снова обертывается таким образом, что ее средняя линия L профиля аэродинамической поверхности имеет постоянную кривизну, но в этом случае радиус кривизны R' не обязательно равняется радиусу R, выражающему расстояние лопасти от продольной оси вращения 7. Следует отметить, что, изменяя радиус кривизны R', можно повысить эффективность ветряной турбины с вертикальной осью благодаря эффекту взаимодействия вращения лопастей ветряной турбины с вертикальной осью и преобладающего ветра.

Если рассматривать эффект, производимый силой ветра на лопасть, то можно увидеть, что скорость, с которой воздушный поток проходит через эту лопасть, меняется по мере того, как эта лопасть вращается. Когда лопасть входит в зону направления ветра, скорость воздушного потока эффективно возрастает. Когда же она поворачивается от ветра, то скорость уменьшается. Такая скорость может быть определена как функция q угла турбины относительно направления ветра. Скорость воздушного потока, проходящего через турбину, обозначается как W_a:

W_a=f{v, W_n, q}=W_n·sqrt(TSR^2+1-2·TSR·cos(90-q)),

где W_n - скорость ветра; v - передняя скорость лопасти и q - угол наклона лопасти относительно направления ветра, как это показано на фиг.5.

Выше была описана лопасть турбины, являвшаяся эффективно симметричной, так как ее профиль был обернут по радиусу кривизны R. Для такой лопасти R является функцией от угловой скорости данной лопасти и ее передней скорости:

R=v/w.

Передняя скорость для лопасти с фиг.5 равна W_a, хотя угловая скорость остается w.

Отсюда радиусы, требуемые для симметричной лопасти, будут выражаться уравнением

R'=W_a/w.

Значение W_a изменяется по мере того как лопасть, вращаясь, входит в поток ветра и выходит из него, так что радиус, который является симметричным, также изменяется. Поскольку форму аэродинамической поверхности трудно изменить так, чтобы она подходила для различных занимаемых вокруг турбины положений, лопасти придается оптимальная форма исходя из мощностного профиля вращающейся турбины. Мощность является функцией от передней скорости и истинного угла пиков атаки, когда лопасти турбины проходят перпендикулярно к направлению ветра. В этом положении скорость W_a=W_n·sqrt(TSR+1). Отсюда эквивалентный симметричный радиус при пиковой выходной мощности составляет:

R'=W_a/w=

=W_n·sqrt(TSR^2+1)/(v/R)=

=W_a·R·sqrt(TSR^2+1)/(W_n·TSR)=

=R·sqrt(TSR^2+1)/TSR,

где TSR является отношением скоростей на конце лопасти, определяемым как v/W_n.

Для обычного показателя TSR, равного, например, 4, радиус R' будет таким образом равен 1,03·R. Это означает, что для пиковой производительности радиус, на 3% больший, чем тот, вокруг которого вращается эта турбина, будет иметь практически симметричные показатели, уравновешивая пиковую мощность как в положении против воздушного потока, так и в подветренном положении.

Становится очевидным, что поскольку физическое расстояние R сечения лопасти от продольной оси 7 является разным по длине лопасти, то разным также является и оптимальный радиус кривизны R' средней линии L профиля аэродинамической поверхности. Таким образом, кривизна средней линии L профиля аэродинамической поверхности, которая постоянна для каждой секции лопасти, является разной для разных секций, расположенных по длине лопасти.

Предлагаемая в настоящем изобретении турбина может подвергаться различным модификациям, не выходя при этом за рамки прилагаемой здесь формулы изобретения. В частности, в турбине может использоваться менее трех лопастей 10, или же, наоборот, более трех лопастей 10. Эти лопасти 10 могут иметь другую форму, отличающуюся от формы спирали. Например, лопасти могут располагаться на правильном круглом цилиндре вокруг продольной оси. Эти лопасти 10 могут быть выполнены отдельно от распорок 3, 4 и затем собраны вместе. Лопасти 10 можно присоединить к валу 2 более чем двумя распорками. В частности, третья распорка может использоваться как промежуточная между верхней и нижней распорками 3, 4. Эта третья распорка может быть размещена в середине длины лопасти 10. Лопасти 10 могут не иметь свободных концов. Вместо этого верхние и нижние распорки 3, 4 могут быть присоединены к самым концам лопастей 10.

Распорки 3, 4 могут быть заменены круглыми дисками, занимающими пространство между вращающимся валом 2 и лопастями 10 и вращающимися вокруг вала. Эти диски могут быть расположены на верхнем и нижнем концах лопастей 10. В альтернативном варианте лопасти 10 могут проходить за пределы расположения дисков. Использование дисков может привести к увеличенному потоку воздуха по сравнению с распорками. Предпочтительно, чтобы верхние и нижние поверхности дисков были плоскими. В альтернативном варианте между лопастями 10 могут быть установлены кольцевые элементы, имеющие спицеподобные распорки, проходящие между лопастями и вращающимся валом.

Claims

1. Ветряная турбина с вертикальной осью, содержащая вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество по существу жестких лопастей, механически присоединенных к этому валу, при этом каждая из множества лопастей представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга по продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку и хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, отличающаяся тем, что аэродинамическая поверхность имеет дугообразную форму, так что средняя линия профиля аэродинамической поверхности проходит по линии постоянной кривизны с радиусом кривизны R'.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что радиальное расстояние R средней линии L профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти, измеряемое от продольной оси, меняется по длине лопасти.

3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что 1,00R≤R'≤1,12R.

4. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что радиус кривизны R' средней линии профиля аэродинамической поверхности меняется по длине каждой лопасти.

5. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что 1,00R≤R'≤1,12R.

6. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что R' приблизительно равно 1,03R.

7. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что R' равняется R.

8. Турбина по любому из пп.2-7, отличающаяся тем, что форма лопасти приближается к форме скрученного по оси каната.

9. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что длина хорды каждой лопасти меняется по длине каждой лопасти.

10. Турбина по п.9, отличающаяся тем, что длина хорды каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно центрального участка каждой лопасти.

11. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит множество распорок, которые механически прикрепляют лопасти к валу.

12. Турбина по п.11, отличающаяся тем, что каждая лопасть присоединена к валу при помощи верхней и нижней распорок.

13. Турбина по п.12, отличающаяся тем, что вытянутое тело каждой лопасти содержит центральный участок, проходящий между верхней и нижней распорками лопасти, верхний участок, проходящий над верхней распоркой лопасти, и нижний участок, проходящий под нижней распоркой лопасти.

14. Турбина по п.13, отличающаяся тем, что верхний участок каждой лопасти образует верхний конец, причем верхний конец является свободно стоящим.

15. Турбина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что нижний участок каждой лопасти образует нижний конец, причем этот нижний конец является свободно стоящим.

16. Турбина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что радиальное расстояние верхнего конца и нижнего конца каждой лопасти от продольной оси является меньшим, чем длина распорок.

17. Турбина по п.12, отличающаяся тем, что верхняя распорка присоединена к верхнему концу каждой лопасти, а нижняя распорка присоединена к нижнему концу каждой лопасти.

18. Турбина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что отношение толщина-хорда каждой лопасти является большим в или вблизи места ее соединения с распорками по сравнению с отношением толщина-хорда ее центрального участка.

19. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что отношение толщина-хорда каждой лопасти увеличивается к верхнему и/или нижнему концам ее вытянутого тела по сравнению с отношением толщина-хорда ее центрального участка.

20. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что отношение толщина-хорда каждой лопасти является постоянным по всему ее вытянутому телу.

21. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит три лопасти, которые разнесены на одинаковое друг от друга расстояние вокруг продольной оси.

22. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, по меньшей мере, одну распорку, расположенную между каждой лопастью и вращающимся валом, причем распорка выполнена за одно целое с лопастью.

23. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, по меньшей мере, один дискообразный элемент, занимающий пространство между каждой лопастью и вращающимся валом.

24. Турбина по п.23, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один дискообразный элемент расположен на концах ее лопастей.

25. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что каждая лопасть представляет собой сердцевину, выполненную из вспененного материала, и композитную оболочку.

26. Ветряная турбина с вертикальной осью, содержащая вращающийся вокруг продольной оси вал и множество по существу жестких лопастей, механически присоединенных к валу, при этом каждая из множества лопастей представляет собой удлиненное тело, имеющее верхний и нижний концы, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга вокруг продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку и хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, отличающаяся тем, что длина средней линии профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно длины центрального участка каждой лопасти.

27. Турбина по п.26, отличающаяся тем, что верхний или нижний конец является подветренным концом каждой лопасти.