RU2431759C2

RU2431759C2 - Ветротурбина со смесителями и эжекторами

Info

Publication number: RU2431759C2
Application number: RU2009139070/06A
Authority: RU
Inventors: Уолтер М. ПРЕС (US); Уолтер М. ПРЕС; Майкл Дж. УЭРЛ (US); Майкл Дж. УЭРЛ
Original assignee: Флоудизайн Винд Тербин Корпорейшн
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2011-10-20
Also published as: MX2009010247A; BRPI0809261A2; NZ579817A; BRPI0809261A8; RU2009139070A; JP5328681B2; IL201094A0; JP2010522299A; CA2681673A1; KR20100014548A; CN101680422B; US20090214338A1; EP2126348A2; UA99281C2; AU2008232368A1; CN101680422A; WO2008118405A2; WO2008118405A3; ZA200906571B

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветротурбина включает: бандаж турбины с аэродинамическим контуром и впускным отверстием и рабочее колесо, расположенное дальше по потоку и имеющее кольцо из лопаток рабочего колеса. Ветротурбина также содержит кольцо из лопаток статора перед рабочим колесом, кольцо из выступов смесителя, при этом выступы смесителя проходят за лопатки рабочего колеса; и кожух эжектора, окружающий кольцо из выступов смесителя, причем выступы смесителя проходят дальше по потоку и в кожух эжектора. Использование изобретения может обеспечить выработку мощности, в три или более раз превышающей мощность ее аналогов, не имеющих бандажа (кожуха), для той же площади лобового сечения. Заявленное изобретение является более безопасным и создает меньше шума, обеспечивая возможность применения для населенных зон. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 26 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к осевым турбинам. Более конкретно, оно относится к осевым ветротурбинам.

Уровень техники

Ветротурбины обычно содержат устройство типа пропеллера, называемое «ротором», которое обращено к движущемуся воздушному потоку. Когда воздух сталкивается с ротором, воздух создает усилие, действующее на ротор таким образом, что это вызывает вращение ротора вокруг его центра. Ротор соединен или с электрическим генератором, или с механическим устройством посредством соединительных элементов, таких как зубчатые колеса, ремни, цепи или другие средства. Подобные турбины используются для выработки электроэнергии и питания аккумуляторных батарей. Они также используются для приведения в действие ротационных (вращательных) насосов и/или движущихся деталей машин. Очень часто можно обнаружить ветротурбины в больших вырабатывающих электроэнергию ветровых электростанциях в виде «полей ветротурбин», содержащих множество подобных турбин, расположенных с образованием геометрического рисунка, предназначенного для обеспечения возможности максимального отбора энергии при минимальном воздействии каждой подобной турбины на другую и/или на окружающую среду.

Способность ротора преобразовывать энергию текучей среды во вращательную энергию, когда он размещен в потоке очень большой ширины по сравнению с его диаметром, ограничена ясно и документально подтверждаемой теоретической величиной, составляющей 59,3% от энергии набегающего потока, известной как предел Бетца и документально подтвержденной A. Betz в 1926 г. Данное предельное значение эффективности в особенности применимо для обычной многолопастной осевой ветротурбины/гидротурбины, представленной на фиг.1А, обозначенной как предшествующий уровень техники.

Были предприняты усилия в попытке увеличить эксплуатационные возможности ветротурбины за предел Бетца. Были использованы бандажи или трубы, окружающие ротор. См., например, патент США 7,218,011 на имя Hiel и др. (см. фиг.1В); патент США 4,204,799 на имя de Geus (см. фиг.1С); патент США 4,075,500 на имя Oman и др. (см. фиг.1D) и патент США 6,887,031 на имя Tocher. Кожухи (бандажи), имеющие надлежащую конструкцию, вызывают ускорение набегающего потока по мере его концентрации в центре трубы. Обычно в случае ротора с надлежащей конструкцией данная увеличенная скорость потока обеспечивает создание большего усилия, действующего на ротор, и, следовательно, более высокие уровни отбора энергии. Тем не менее лопатки ротора часто распадаются вследствие сдвигающих и растягивающих сил, имеющих место в случае более сильных ветров.

Как утверждается, величины, превышающие в два раза предел Бетца, были зафиксированы, но не были стабильными. См. работу Igar, O. Shrouds for Aerogenerators (Бандажи для ветроэнергетических установок), AIAA Journal (Американский институт аэронавтики и астронавтики), Октябрь, 1976, стр. 1481-83; Igar & Ozer, Research and Development for Shrouded Wind Turbines (Исследования и разработки для бандажированных ветротурбин), Energy Cons. & Management, Vol. 21, pp. 13-48, 1981, и см. Техническую заметку Американского института аэронавтики и астронавтики, озаглавленную «Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited» («К вопросу о ветротурбинах и гидротурбинах и винтах в кольцевых обтекателях»), авторами которой является заявитель («Техническая заметка заявителя для Американского института аэронавтики и астронавтики») и которая принята для публикации. Копии можно найти в заявлении заявителя о раскрытии информации. Однако подобные притязания не доказали свою стабильность на практике, и имеющиеся результаты испытаний не подтвердили осуществимость подобного увеличения при реальном применении ветротурбин.

Для достижения подобных увеличенных мощности и эффективности необходимо обеспечить тщательное согласование аэродинамических конструкций бандажа и ротора с иногда очень сильно изменяющимися скоростями набегающего потока текучей среды. Подобные соображения в отношении аэродинамических конструкций также играют важную роль для обусловленного ими воздействия турбин, приводимых в действие потоком текучей среды, на окружающую среду и уровня эффективности конструкций ветроэнергетических установок (полей ветротурбин).

Эжекторы представляют собой хорошо известные и раскрытые в документах жидкоструйные насосы, которые обеспечивают втягивание потока в систему и тем самым увеличение скорости потока в данной системе. Смесители-эжекторы представляют собой короткие компактные варианты подобных струйных насосов, которые относительно нечувствительны к параметрам набегающего потока и широко используются в высокоскоростных реактивных двигательных установках со скоростями потоков, приблизительно равными или превышающими скорость звука. См., например, патент США 5,761,900 на имя Dr. Walter M. Presz, Jr, в котором также используется смеситель, расположенный дальше по потоку, для увеличения тяги при одновременном уменьшении шума от выхлопа. Dr. Presz является соавтором изобретения в данной заявке.

До сих пор не было успешного применения технических решений, связанных с газовыми турбинами, для осевых ветротурбин. Существует множество причин, обусловивших данный недостаток. В существующих ветротурбинах используются небандажированные турбинные лопатки для отбора энергии ветра. В результате значительная часть потока, приближающегося к лопаткам ветротурбины, проходит вокруг лопаток, а не через них. Кроме того, скорость воздушного потока значительно уменьшается по мере его приближения к существующим ветротурбинам. Оба данных эффекта приводят к низким скоростям потока, проходящего через турбину. Данные низкие скорости обуславливают минимизацию потенциальных преимуществ технических решений, связанных с газовыми турбинами, таких как концепции статора/ротора. Предшествующие подходы, связанные с бандажированными ветротурбинами, характеризуются сосредоточением усилий на выходных диффузорах для увеличения скоростей турбинных лопаток. Для обеспечения хороших эксплуатационных характеристик диффузоров требуется большая длина, и они имеют тенденцию быть очень чувствительными к колебаниям набегающего потока. Подобные длинные, чувствительные к характеристикам потока диффузоры нецелесообразны в ветроэнергетических турбинных установках. Короткие диффузоры вызывают срыв потока и совершенно не работают в реальных применениях. Кроме того, существует возможность того, что требуемая диффузия ниже по потоку будет невозможной в случае желательного съема энергии в турбине при повышенных скоростях. Данные эффекты предопределили тщетность всех предыдущих попыток создать более эффективные ветротурбины, используя технические решения, связанные с газовыми турбинами.

Соответственно, главная цель настоящего изобретения заключается в создании осевой ветротурбины, в которой используются принципы работы современных гидроаэродинамических насосов со смесителями-эжекторами для обеспечения постоянного уровня отбора энергии, существенно превышающего предел Бетца.

Другая основная цель заключается в создании усовершенствованной осевой ветротурбины, в которой используются специфические устройства для смешивания потоков (предназначенные для ветротурбин) и управления потоками для повышения эффективности и минимизации воздействия сопутствующего ей поля обтекания на окружающую среду, находящуюся вблизи ветротурбины, такую какую можно обнаружить в полях ветротурбин.

Еще одна основная цель заключается в разработке усовершенствованной осевой ветротурбины, которая обеспечивает втягивание большего потока через ротор и последующее быстрое смешивание потока, выходящего из турбины и имеющего малую энергию, с байпасным воздушным потоком, имеющим большую энергию, перед выходом из системы.

Более конкретной целью, согласованной с вышеперечисленными целями, является создание ветротурбины, которая является сравнительно бесшумной и более безопасной для использования в населенных зонах.

Раскрытие изобретения

Предложена ветроэнергетическая турбинная установка со смесителями и эжекторами («MEWT») для выработки электроэнергии, в которой сочетаются концепции гидроаэродинамического эжектора, устройства для улучшенного смешивания потоков и управления потоками и турбина с регулируемой мощностью.

В предпочтительном варианте осуществления ветротурбина со смесителями и эжекторами (MEWT) представляет собой осевую турбину, содержащую в таком порядке, который соответствует направлению потока: бандаж турбины с аэродинамическим контуром, имеющий впускное отверстие; кольцо из статоров внутри бандажа; рабочее колесо, имеющее кольцо из лопаток рабочего колеса «на одной линии» со статорами; смеситель, прикрепленный к бандажу турбины, имеющий кольцо из смесительных выступов, проходящих дальше по потоку за лопатки рабочего колеса, и эжектор, содержащий кольцо из смесительных выступов (например, аналогичное тому, которое показано в патенте США 5,761,900), и смесительный кожух, проходящий дальше по потоку за смесительные выступы. Бандаж турбины, смеситель и эжектор выполнены и расположены с возможностью втягивания максимального количества текучей среды через турбину и минимизации воздействия на окружающую среду (например, шума) и на другие турбины для выработки энергии, расположенные позади их (например, с возможностью конструктивных потерь или потерь эффективности). В отличие от уровня техники предпочтительная ветротурбина со смесителями и эжекторами содержит бандаж (кожух) с устройствами для улучшенного смешивания потоков и управления потоками, такими как смесители с выступами или пазами и/или один или более эжекторных насосов. Представленный насос со смесителем/эжектором существенно отличается от используемого в авиационной промышленности, поскольку воздух с большой энергией проходит во впускные каналы эжектора и обходит его снаружи, прокачивается и смешивается с воздухом с малой энергией, выходящим из бандажа турбины.

В данном первом предпочтительном варианте осуществления ветротурбина со смесителями и эжекторами содержит: осевую ветротурбину, окруженную бандажом турбины с аэродинамическим контуром, включающим в себя смесительные устройства в его концевой области (то есть в концевой части бандажа турбины) и отдельный эжекторный трубчатый элемент, перекрывающий указанный бандаж турбины, но расположенный за ним, который сам может включать в себя устройства для улучшенного смешивания в его концевой области.

В альтернативном варианте осуществления ветротурбина со смесителями и эжекторами содержит: осевую ветротурбину, окруженную бандажом турбины с аэродинамическим контуром, включающим в себя смесительные устройства в его концевой области.

Теоретический анализ предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами, выполненный на основе основных принципов, показывает, что ветротурбина со смесителями и эжекторами может вырабатывать мощность, в три или более раз превышающую мощность ее аналогов, не имеющих бандажа (кожуха), для той же площади лобового сечения, и обеспечить повышение эффективности полей ветротурбин в два или более раз.

Исходя из выполненного ими теоретического анализа авторы полагают, что предпочтительный вариант осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами обеспечит выработку мощности, превышающей в три раза существующую мощность обычной ветротурбины аналогичного размера.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными при прочтении нижеприведенного описания в комбинации с сопровождающими чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А, 1В, 1С и 1D иллюстрируют примеры турбин согласно уровню техники;

Фиг.2 представляет собой выполненный с пространственным разнесением элементов вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, предложенного авторами и имеющего конструкцию в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3 представляет собой вид в перспективе спереди предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами, прикрепленной к башенной опоре;

Фиг.4 представляет собой вид в перспективе спереди предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами с частями, выполненными с вырезом для того, чтобы показать внутреннюю конструкцию, такую как устройство отбора мощности в виде колесообразной конструкции, прикрепленной к рабочему колесу;

Фиг.5 представляет собой вид в перспективе спереди только статора, рабочего колеса, устройства отбора мощности и опорного вала, показанного на фиг.4;

Фиг.6 представляет собой альтернативный вариант осуществления предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами, выполненной с насосом со смесителем/эжектором, имеющим выступы смесителя в концевых областях (то есть в концевой части) кожуха эжектора;

Фиг.7 представляет собой боковое сечение ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.6;

Фиг.8 представляет собой увеличенный вид поворотного соединения (обведенного кружком на фиг.7), предназначенного для крепления ветротурбины со смесителями и эжекторами к башенной опоре с возможностью поворота, и вариант механической поворотной лопатки статора;

Фиг.9 представляет собой вид в перспективе спереди ветротурбины со смесителями и эжекторами с ротором пропеллерного вида;

Фиг.10 представляет собой вид в перспективе сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.9;

Фиг.11 представляет собой вид сверху сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.9;

Фиг.12 представляет собой сечение, выполненное вдоль линии 12-12 на фиг.11;

Фиг.13 представляет собой вид сверху спереди ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.9;

Фиг.14 представляет собой боковое сечение, выполненное вдоль линии 14-14 на фиг.13, показывающее два поворотных блокировочных элемента для управления потоком;

Фиг.15 представляет собой увеличенный вид обведенного кружком блокировочного элемента, показанного на фиг.14;

Фиг.16 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, выполненной с двумя возможными поворотными крыловидными выступами для ориентации по ветру;

Фиг.17 представляет собой боковое сечение ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.16;

Фиг.18 представляет собой вид сверху спереди альтернативного варианта осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, включающего в себя двухступенчатый эжектор со смесительными устройствами (в данном случае с кольцом из прорезей) в концевых областях бандажа турбины (в данном случае в области смесительных выступов) и кожух эжектора;

Фиг.19 представляет собой боковое сечение ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.18;

Фиг.20 представляет собой вид сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.18;

фиг.21 представляет собой вид в перспективе спереди ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.18;

Фиг.22 представляет собой вид в перспективе спереди альтернативного варианта осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, включающего в себя двухступенчатый эжектор со смесительными выступами в концевых областях бандажа турбины и кожуха эжектора;

Фиг.23 представляет собой вид в перспективе сзади ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанными на фиг.22;

Фиг.24 показывает возможную акустическую (звукопоглощающую) обшивку внутри бандажа турбины, показанной на фиг.22;

Фиг.25 показывает ветротурбину со смесителями и эжекторами, выполненную с некруглым бандажным элементом; и

Фиг.26 показывает альтернативный вариант осуществления предпочтительной ветротурбины со смесителями и эжекторами с выступами смесителя в концевой области (то есть в концевой части) бандажа турбины.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

При подробном рассмотрении чертежей видно, что на фиг.2-25 показаны альтернативные варианты осуществления осевой ветротурбины со смесителями и эжекторами («MEWT»), предложенной заявителем.

В предпочтительном варианте осуществления (см. фиг.2, 3, 4, 5) ветротурбина 100 со смесителями и эжекторами представляет собой осевую ветротурбину, содержащую:

(а) бандаж 102 турбины с аэродинамическим контуром;

(b) центральный элемент 103 с аэродинамическим контуром, расположенный внутри бандажа 102 турбины и прикрепленный к нему;

(b) ступень 104 турбины, окружающую центральный элемент 103, содержащую статорное кольцо 106 из лопаток (например, 108а) статора и рабочее колесо или ротор 110, имеющий лопатки (например, 112а) рабочего колеса или ротора, расположенные дальше по потоку и «на одной линии» с лопатками статора (то есть передние кромки лопаток рабочего колеса по существу выровнены с задними кромками лопаток статора), в которой:

(i) лопатки (например, 108а) статора установлены на центральном элементе 103;

(iii) лопатки (например, 112а) рабочего колеса прикреплены и удерживаются вместе внутренними и наружными кольцами или хомутами, закрепленными на центральном элементе 103;

(с) смеситель 118, имеющий кольцо из выступов (например, 120а) смесителя в концевой области (то есть в концевой части) бандажа 102 турбины, при этом выступы (например, 120а) смесителя проходят дальше по потоку за лопатки (например, 112а) рабочего колеса; и

(d) эжектор 122, содержащий кожух 128, окружающий кольцо из выступов (например, 120а) смесителя на бандаже турбины, с профилем, аналогичным выступам эжектора, показанным в патенте США 5,761,900, при этом выступы (например, 120а) смесителя проходят дальше по потоку и во впускное отверстие 129 кожуха 128 эжектора.

Как показано на фиг.7, центральный элемент 103 ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами предпочтительно соединен с бандажом 102 турбины посредством статорного кольца 106 (или другого средства) для устранения повреждений, неудобств и распространения на большое расстояние низкочастотного звука, создаваемого обычными ветротурбинами, когда спутные струи от лопаток турбины сталкиваются с башенной опорой. Аэродинамические профили бандажа 102 турбины и кожуха 128 эжектора предпочтительно аэродинамически изогнуты для увеличения потока, проходящего через ротор турбины.

Авторы рассчитали, что для обеспечения оптимального кпд в предпочтительном варианте 100 осуществления соотношение площадей эжекторного насоса 122, определяемое как отношение площади выходного сечения кожуха 128 эжектора к площади выходного сечения бандажа 102 турбины, должно составлять от 1,5 до 3,0. Число выступов (например, 120а) смесителя составляет от 6 до 14. Каждый выступ имеет углы наклона внутренних и наружных задних кромок, составляющие от 5 до 25 градусов. Основное положение выхода выступа находится у места входа или рядом с местом входа или впускным отверстием 129 кожуха 128 эжектора. Отношение высоты к ширине каналов между выступами составляет от 0,5 до 4,5. Проникновение в смеситель составляет от 50% до 80%. Углы наклона задних кромок относительно промежуточной части центрального элемента 103 составляют тридцать градусов или менее. Отношение длины к диаметру (L/D) всей ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами составляет от 0,5 до 1,25.

Теоретический анализ предпочтительной ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами, выполненный авторами на основании основных принципов, показывает: ветротурбина со смесителями и эжекторами может вырабатывать мощность, в три или более раз превышающую мощность ее аналогов, не имеющих бандажа, для той же площади лобового сечения, и ветротурбина со смесителями и эжекторами может обеспечить повышение эффективности полей ветротурбин в два или более раз. См. Техническую заметку авторов для Американского института аэронавтики и астронавтики, указанную выше в разделе «Уровень техники», в отношении методологии и формул, используемых в теоретическом анализе, выполненном авторами.

Исходя из выполненного ими теоретического анализа авторы полагают, что разработанный ими предпочтительный вариант 100 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами будет вырабатывать мощность, в три раза превышающую существующую мощность обычной ветротурбины того же размера (показанной на фиг.1А).

Используя упрощенную терминологию, можно сказать, что предпочтительный вариант 100 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами содержит: осевую турбину (например, лопатки статора и лопатки рабочего колеса), окруженную бандажом 102 турбины с аэродинамическим контуром, включающим в себя смесительные устройства в его концевой области (то есть в концевой части), и отдельный кожух (например, 128) эжектора, перекрывающий бандаж 102 турбины, но расположенный сзади него, который сам может включать в себя устройства для улучшенного смешивания (например, выступы смесителя) в его концевой области. Предложенное авторами кольцо 118 из выступов (например, 120а) смесителя в сочетании с кожухом 128 эжектора можно рассматривать как насос со смесителем/эжектором. Данный насос со смесителем/эжектором образует средство для обеспечения постоянного превышения предела Бетца для эксплуатационного кпд ветротурбины.

Авторы также представили дополнительную информацию для предпочтительного варианта 100 осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанного на фиг.2А, 2В. Он содержит ступень 104 турбины (то есть со статорным кольцом 106 и рабочим колесом 110), установленную на центральном элементе 103, окруженную бандажом 102 турбины с выступами (например, 120а) смесителя, имеющими задние кромки, незначительно выступающими во входную плоскость кожуха 128 эжектора. Ступень 104 турбины и кожух 128 эжектора конструктивно соединены с бандажом 102 турбины, который сам представляет собой основной несущий нагрузку элемент.

Длина бандажа 102 турбины равна наружному максимальному диаметру бандажа турбины или меньше него. Длина кожуха 128 эжектора равна наружному максимальному диаметру кожуха эжектора или меньше него. Наружная поверхность центрального элемента 103 имеет аэродинамический профиль для уменьшения до минимума эффектов отрыва потока за ветротурбиной 100 со смесителями и эжекторами. Она может быть более длинной или более короткой, чем бандаж 102 турбины или кожух 128 эжектора, или длина ее может быть больше или меньше суммы длин бандажа 102 и кожуха 128.

Площадь входного сечения и площадь выходного сечения бандажа турбины равны или больше площади сечения кольцевого пространства, занимаемого ступенью 104 турбины, но входное и выходное сечения необязательно должны иметь круглую форму, чтобы обеспечить возможность лучшего управления источником потока и воздействием его спутной струи. Зона сечения внутреннего проточного канала, образуемого кольцевым пространством между центральным элементом 103 и внутренней поверхностью бандажа 102 турбины, имеет аэродинамическую форму для того, что обеспечить минимальную площадь в плоскости турбины и плавное изменение в остальных частях от их соответствующих входных плоскостей до их выходных плоскостей. Наружные поверхности бандажа турбины и кожуха эжектора имеют аэродинамическую форму для того, чтобы способствовать направлению потока во впускное отверстие бандажа турбины, устранению срыва потока с их поверхностей и подаче плавного потока во впускное отверстие 129 эжектора. Входная область эжектора 128, которая может быть некруглой по форме (см., например, фиг.25), больше площади выходной плоскости смесителя 118, и выходная область эжектора также может быть некруглой по форме.

К возможным элементам предпочтительного варианта 100 осуществления могут относиться: устройство 130 отбора мощности (см. фиг.4 и 5) в виде колесообразной конструкции, которое механически присоединено у наружного обода рабочего колеса 110 к генератору мощности (не показан); вертикальный опорный вал 132 с поворотным соединением, обозначенным позицией 134 (см. фиг.5), который предназначен для обеспечения поворотной опоры для ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами и который расположен перед положением центра давления на ветротурбине со смесителями и эжекторами для обеспечения самоцентрирования ветротурбины со смесителями и эжекторами; и самодвижущийся вертикальный стабилизатор или «крыловидный выступ» 136 (см. фиг.4), прикрепленный к верхней и нижней поверхностям кожуха 128 эжектора и предназначенный для стабилизации направлений выравнивания относительно разных струй воздуха.

Ветротурбина 100 со смесителями и эжекторами при использовании ее рядом с жилыми домами может иметь звукопоглощающий материал 138, прикрепленный к внутренней поверхности ее бандажа 102 и кожуха 128 (см. фиг.24) для поглощения и, следовательно, устранения звуковых волн со сравнительно высокой частотой, создаваемых в результате взаимодействия спутных струй от статора 106 с рабочим колесом 110. Ветротурбина со смесителями и эжекторами также может содержать предохранительную ограждающую лопатки конструкцию (не показана).

На фиг.14, 15 показаны возможные дверцы 140а, 140b для блокировки потока. Они могут поворачиваться посредством рычажных соединений (не показаны) в направлении струи потока для уменьшения или прекращения потока через турбину 100, когда возможно повреждение генератора или других элементов, вызванное высокой скоростью потока.

На фиг.8 показан другой возможный вариант предложенной заявителем предпочтительной ветротурбины 100 со смесителями и эжекторами. Выходной угол установки лопаток статора механически изменяется на месте (то есть лопатки поворачиваются) для приспосабливания к изменениям скорости потока текучей среды так, чтобы обеспечить минимальный остаточный вихрь в потоке, выходящем из ротора.

Следует отметить, что в каждом из предложенных заявителем, альтернативных вариантов осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами, показанных на фиг.9-23 и 26, используется ротор пропеллерного вида (например, 142 на фиг.9), а не ротор турбины с кольцом из лопаток рабочего колеса. Хотя данные варианты осуществления, возможно, не столь эффективны, они могут быть более приемлемыми для населения.

Предложенными заявителем альтернативными вариантами осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами являются варианты 200, 300, 400, 500, не содержащие эжектора (см., например, фиг.26), содержащие одно- и двухступенчатые эжекторы со смесителями в концевых областях (то есть концевых частях) кожухов эжекторов, если они имеются. См., например, фиг.18, 20 и 22, на которых показаны смесители в концевых областях кожухов эжекторов. Анализ показывает, что подобные варианты осуществления ветротурбины со смесителями и эжекторами обеспечат более быстрое устранение неизбежного отклонения скорости, имеющего место в спутной струе существующих ветротурбин, и, следовательно, уменьшение расстояния между объектами, необходимого в поле ветротурбин для избежания конструктивных повреждений и/или потери эффективности.

Фиг.6 показывает «двухступенчатый» вариант 600 эжектора изображенного варианта 100 осуществления, имеющего смеситель в концевой области кожуха эжектора.

Специалистам в данной области техники следует понимать, что очевидные конструктивные изменения могут быть выполнены без отхода от сущности или объема изобретения. Например, вместо выступов смесителя или выступов эжектора могут быть использованы пазы. Кроме того, не требуется никакого рычага блокировочного элемента для обеспечения соответствия пределу Бетца или превышения предела Бетца. Соответственно, в первую очередь, должна быть сделана ссылка на приложенную формулу изобретения, а не на вышеприведенное описание.

Claims

1. Осевая ветротурбина, имеющая бандаж турбины с аэродинамическим контуром и впускным отверстием и рабочее колесо, расположенное дальше по потоку и имеющее кольцо из лопаток рабочего колеса, содержащая:
а. кольцо из лопаток статора перед рабочим колесом;
b. кольцо из выступов смесителя, при этом выступы смесителя проходят за лопатки рабочего колеса; и
с. кожух эжектора, окружающий кольцо из выступов смесителя, причем выступы смесителя проходят дальше по потоку и в кожух эжектора.

2. Ветротурбина по п.1, в которой конец кожуха эжектора вмещает кольцо из выступов смесителя.

3. Ветротурбина по п.1, в которой она установлена на опорном валу посредством поворотного соединения, при этом опорный вал расположен перед положением центра давления на турбине для обеспечения свободного поворота турбины в направлении набегающей струи ветра.

4. Ветротурбина по п.1, в которой она содержит, по меньшей мере, один подвижный блокировочный элемент внутри турбины для уменьшения величины потока через турбину.

5. Ветротурбина по п.1, в которой наружная поверхность турбины содержит самоустанавливающийся подвижный крыловидный выступ для того, чтобы аэродинамически способствовать выравниванию турбины относительно направления набегающего потока и демпфированию колебаний системы, вызванных турбулентностью потока.

6. Ветротурбина по п.1, в которой лопатки статора механически поворачиваются для обеспечения лучшего выравнивания потока, выходящего из статора, относительно лопаток ротора при всех условиях эксплуатации.

7. Ветротурбина по п.1, в которой ротор турбины соединен с устройством отбора мощности, выполненным в виде колесообразной конструкции вокруг рабочего колеса.

8. Осевая ветротурбина, содержащая:
а. бандаж турбины с аэродинамическим контуром и впускным отверстием;
b. кольцо из лопаток статора, установленных внутри бандажа турбины, при этом лопатки статора имеют передние кромки и задние кромки;
с. кольцо из лопаток рабочего колеса, установленных с возможностью поворота внутри бандажа турбины, при этом лопатки рабочего колеса имеют передние кромки, расположенные рядом с задними кромками соответствующих лопаток статора; и
d. средство для обеспечения постоянного превышения предела Бетца для рабочего кпд осевой ветротурбины, причем указное средство содержит:
(i) кольцо из выступов смесителя, при этом выступы проходят за лопатки рабочего колеса; и
(ii) кожух эжектора, окружающий кольцо из выступов смесителя, причем выступы смесителя проходят дальше по потоку и в кожух эжектора.

9. Осевая ветротурбина, содержащая:
а. бандаж турбины с аэродинамическим контуром и впускным отверстием;
b. ступень турбины, установленную внутри бандажа, содержащую:
(i) кольцо из лопаток статора, расположенное за впускным отверстием и установленное на опорном валу, прикрепленном к бандажу турбины;
(ii) кольцо из лопаток рабочего колеса, расположенное за лопатками статора и установленное на опорном валу;
с. кольцо из выступов смесителя, проходящих за лопатки рабочего колеса; и
d. эжектор, окружающий задние кромки выступов смесителя и проходящий за выступы смесителя.

10. Осевая ветротурбина, имеющая бандаж турбины с аэродинамическим контуром и впускным отверстием и рабочее колесо, расположенное дальше по потоку и имеющее кольцо из лопаток рабочего колеса, содержащая: статорное кольцо, расположенное перед рабочим колесом и имеющее лопатки статора; и смеситель, прикрепленный к бандажу и имеющий кольцо из выступов смесителя, проходящих за лопатки рабочего колеса; и эжектор, проходящий за кольцо из выступов смесителя.

11. Осевая ветротурбина, имеющая бандаж с впускным отверстием и ротор пропеллерного типа, содержащая смеситель, имеющий кольцо из выступов смесителя, проходящих за лопатки рабочего колеса.

12. Ветротурбина по п.11, дополнительно содержащая эжектор, проходящий за смеситель.