РОТОР ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ
WIND TURBINE ROTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к ветровой энергетике, более точно, к ротору для применения в ветровых турбинах.
Уровень техники
С недавним усилением колебаний цен на ископаемые виды топлива углубляется энергетический кризис. Ученые всего мира заняты поисками альтернативных источников энергии (экологически безопасной энергии), такой как солнечная энергия, энергия ветра, приливная энергия и даже биологическая энергия, чтобы удовлетворить потребности человечества в энергии путем выработки электроэнергии с использованием этих природных источников энергии и добиться снижения потребления углеводородного топлива и экономии энергоресурсов. Так, например, выработка электроэнергии с использованием энергии ветра началась после создания первой ветряной турбины, которую построил датский метеоролог Поуль Ла Кур (Poul La Cour) в 19-м веке. Энергия ветра является неисчерпаемым источником не загрязняющей окружающую среду и самообразующейся энергии, широко распространенной по всему миру, которая способна удовлетворять различные местные потребности в энергоснабжении, уменьшать потери энергии при передаче на большое расстояние и снижать расходы на энергоснабжение.
В ветровой энергетике используют энергию ветра для передачи вращения ротору, который преобразует энергию ветра в электроэнергию. Таким образом, эффективность выработки энергии ветра зависит от аэродинамических характеристик (таких как форма и число лопастей). Известно множество изобретений, относящихся к ветровой энергетике, таких как патент US 7094018 B2, Тайваньская полезная модель М279736, промышленный образец D1 19380 и патент US 4075500.
Как показано на фиг.1, обычный ротор 1 имеет центральную втулку 11, от которой в радиальном направлении отходит множество лопастей 12. Проиллюстрированный на чертежах ротор имеет девять лопастей 12. Центральная втулка 11 соединена с приводным валом генератора 2.
Вместе с тем, как показано на фиг.2, в процессе работы этого известного ротора 1 воздушные потоки, которые под действием ветра перемещаются через ротор 1, разрушаются концами лопастей 12, в результате чего возникает шум и турбулентность. Турбулентность способна приводить к расширению и замедлению воздушных потоков и тем самым снижению частоты вращения ротора 1, что впоследствии сказывается на эффективности выработки энергии ветра.
Краткое изложение сущности изобретения
Таким образом, в основу настоящего изобретения положена задача создания ротора ветряной турбины, увеличивающего скорость воздушного потока, который проходит через ротор, с целью повышения эффективности выработки энергии ветра.
Другой задачей настоящего изобретения является создание ротора ветряной турбины, уменьшающего шум.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание ротора ветряной турбины, имеющего более универсальную конструкцию.
Предложенный в настоящем изобретении ротор ветряной турбины имеет центральную втулку и множество лопастей, отходящих в радиальном направлении от центральной втулки. С дальними свободными концами лопастей соединен установленный по окружности кожух, за счет чего каждая лопасть вращается вместе с ним. Когда ротор установлен на ветряной турбине и в него под действием ветра поступают воздушные потоки, кожух также вращается, и воздушные потоки ускоряются, за счет чего повышается эффективность выработки энергии ветра. Когда дальние концы лопастей вращаются вместе с кожухом, за счет наличия кожуха может устраняться шум при разрушении воздушных потоков. Кроме того, центральная втулка ротора может иметь концентрически установленное соединительное кольцо, позволяющее гибко увеличивать число лопастей между центральной втулкой и кожухом с целью увеличения крутящего момента ротора и также обеспечивающее эффект увеличения частоты вращения ротора. В результате сравнения предложенного в настоящем изобретении ротора и обычного ротора путем соединения этих роторов с генераторами с одинаковыми характеристиками выработки энергии, установлено, что размер и площадь обращенной к ветру поверхности ротора согласно настоящему изобретению значительно меньше, чем у обычных роторов. Таким образом, преимуществом настоящего изобретения также является уменьшение размера ротора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в перспективе обычного ротора,
на фиг.2 показан вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий работу обычного ротора,
на фиг.3 показан вид в перспективе ротора согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.4 показан вид в поперечном разрезе ротора согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.5 показан вид в поперечном разрезе ротора другого типа согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.6 схематически проиллюстрирован принцип потока жидкости,
на фиг.7 показан вид в перспективе ротора согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.8 показан вид в поперечном разрезе ротора согласно упомянутому другому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.9 показан вид в поперечном разрезе ротора другого типа согласно упомянутому другому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.10 показан вид в перспективе ротора согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.11 показан вид в поперечном разрезе ротора согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.12 показан вид в поперечном разрезе ротора другого типа согласно упомянутому дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.13 показан вид в перспективе ротора согласно еще одному дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.14 показан вид в поперечном разрезе ротора согласно упомянутому еще одному дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.15 показаны кривые крутящий момент-частота вращения для различных роторов,
на фиг.16 показаны кривые кпд-частота вращения для различных роторов.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Как показано на фиг.3-6, сконструированный согласно настоящему изобретению ротор, в целом обозначенный позицией 3, имеет центральную втулку 31, от которой в радиальном направлении отходит множество лопастей 32. Лопасти 32 имеют дальние свободные концы, которые окружены расположенным по окружности рожковым кожухом 33 и соединены с ним. Кожух 33 имеет первый круговой краевой участок 331, второй круговой краевой участок 332 и переходную часть 333, которая расположена между первым круговым краевым участком 331 и вторым круговым краевым участком 332. Первый круговой краевой участок 331 имеет меньший диаметр, чем диаметр второго кругового краевого участка 332, за счет чего переходная часть 333 кожуха 33 имеет расширяющуюся форму. Дальний конец каждой лопасти 32 соединен с внутренней поверхностью первого кругового краевого участка 331, а каждая лопасть 32 имеет обращенную к ветру поверхность, проходящую в направлении, противоположном переходной части 333 кожуха 33. Кроме того, переходная часть 333 кожуха 33 может иметь отклоняющийся наружу искривленный профиль (как показано на фиг.3 и 4) или отклоняющийся наружу прямолинейный профиль (как показано на фиг.5).
Центральная втулка 31 ротора 3 посажена на приводной вал генератора 4, и когда под действием ветра воздушные потоки проходят через обращенные к ветру поверхности лопасти 32, заставляя лопасти 32 вращаться, энергия, вырабатываемая генератором 4, может быть рассчитана согласно следующему уравнению:
в котором Р означает вырабатываемую энергию, ρ означает плотность воздуха, А означает площадь поперечного сечения ротора, а V означает скорость воздушного потока. Из уравнения следует, что, поскольку плотность воздуха можно принять за постоянную величину, возможным способом изменения количества вырабатываемой энергии является изменение площади поперечного сечения ротора или скорости воздушного потока, при этом более заметный результат приносит изменение скорости воздушного потока.
1
1
2
2
1
1
2
2
2
1
2
1
2
3
На фиг.6 также показано круглое отверстие 51 в дне емкости 5, заполненной жидкостью. Круглое отверстие 51 имеет площадь поперечного сечения A, а скорость потока жидкости через круглое отверстие 51 составляет V. При использовании рожкового кожуха 52, который расширяется наружу под круглым отверстием 51 и имеет площадь поперечного сечения А, и скорости потока жидкости наружу, равной V, согласно законам гидродинамики AV=AV, очевидно, что при прохождении потока жидкости через расширяющийся наружу рожковый кожух 52 стимулируется расширение жидкости (а именно, A>A). Хотя скорость V направленного наружу потока снижается (а именно, V превышает V), все же происходит ускорение жидкости, когда она поступает в кожух 52. Согласно этому же принципу из расчета эффекта расширения сконструирован и предложенный в настоящем изобретении кожух 52 с целью увеличения скорости воздушного потока и тем самым повышения эффективности выработки энергии. Например, при увеличении скорости в 1,1 раза выработка энергии увеличивается в 1,1 раза, а именно в 1,133 раза.
С другой стороны, эффективность выработки энергии обычно увеличивают путем увеличения площади, в результате чего исходный размер увеличивается в 1,33 раза при той же эффективности выработки энергии. В результате, возникают проблемы точности при механической обработке в процессе изготовления, а также проблемы, связанные с отходами изготовления и расходами на материалы. Кроме того, из-за увеличения размера ротора 3 возникают дополнительные ограничения на его установку, что не способствует повышению спроса. Если в качестве примера взять генератор 4 с такой же генерирующей мощностью, поскольку в настоящем изобретении может быть увеличена скорость входящего воздушного потока по сравнению с обычным ротором 1 (см. фиг.1) с фиксированной скоростью воздушного потока, настоящее изобретение позволяет уменьшить площадь поперечного сечения (иными словами, уменьшить общий размер). Кроме того, когда кожуху 33 сообщают вращение, поскольку не происходит разрушение воздушного потока, может быть ослаблен шум, вызываемый его работой.
Как показано на фиг.7-9, в другом варианте осуществления дальние концы лопастей 62, установленных на центральной втулке 61 ротора 6, также окружены рожковым кожухом 63 и соединены с ним, при этом кожух 63 имеет первый круговой краевой участок 631 и второй круговой краевой участок 632 с переходной частью 633, которая также расположена между первым круговым краевым участком 631 и вторым круговым краевым участком 632. Первый круговой краевой участок 631 имеет диаметр, превышающий диаметр второго кругового краевого участка 632, за счет чего переходная часть 633 кожуха имеет сужающуюся форму. Дальний конец каждой лопасти 62 соединен с внутренней поверхностью второго кругового краевого участка 632, а каждая лопасть 62 имеет обращенную к ветру поверхность, проходящую в том же направлении, что и переходная часть кожуха 63. Кроме того, переходная часть 633 кожуха 63 имеет отклоняющийся наружу искривленный профиль (как показано на фиг.7 и 8) или отклоняющийся наружу прямолинейный профиль (как показано на фиг.9).
Как показано на фиг.8 и 9, когда под действием ветра воздушные потоки проходят через обращенную к ветру сторону ротора 6, воздушные потоки сначала контактируют с сужающимся искривленным или прямолинейным профилем кожуха 63 (а именно, стороной, соответствующей первому круговому краевому участку 631), заставляя воздушные потоки перемещаться в направлении стороны, соответствующей второму круговому краевому участку 632, и тем самым концентрироваться по центру с увеличенной скоростью, за счет возрастает сила, действующая на лопасти и приводящая их в движение, и повышается эффективность выработки энергии.
Как показано на фиг.10-12, в дополнительном варианте осуществления дальние концы лопастей 72, которые установлены на центральной втулке 71 ротора 7, имеют рожковый кожух 73. Противоположные боковые участки кожуха 73 соответственно включают сужающийся первый круговой краевой участок 731 и сужающийся второй круговой краевой участок 732, между которыми также расположена переходная часть 733. Каждая лопасть 72 соединена с внутренней поверхностью переходной части 733 и имеет обращенную к ветру поверхность, проходящую в направлении первого кругового краевого участка 731. Участок кожуха 73 от первого кругового краевого участка 731 до переходной части 733 имеет отклоняющийся внутрь искривленный профиль (см. фиг.11) или отклоняющийся внутрь прямолинейный профиль (см. фиг.12), а участок кожуха 73 от переходной части 733 до второго кругового краевого участка 732 имеет отклоняющийся наружу искривленный профиль (см. фиг.11) или отклоняющийся наружу прямолинейный профиль (см. фиг.12). Первый круговой краевой участок 731 имеет меньший диаметр, чем диаметр второго кругового краевого участка 732.
Как показано на фиг.13 и 14, когда под действием ветра воздушные потоки проходят через обращенную к ветру сторону ротора 7, воздушные потоки сначала контактируют с первым круговым краевым участком 731 искривленной или прямолинейной сужающейся формы, заставляя воздушные потоки концентрироваться по центру в качестве первой стадии ускорения. Кроме того, поскольку участок от переходной части 733 до второго кругового краевого участка 732 имеет расширяющуюся форму, за счет рассмотренного ранее эффекта расширения потока инициируется вторая стадия ускорения. Пройдя две стадии ускорения, воздушные потоки обеспечивают скорость вращения лопастей 72, расположенных на переходной части 733, за счет чего увеличивается сила, приводящая в действие лопасти 72, и повышается эффективность выработки энергии. Как показано на фиг.13 и 14, в настоящем изобретении дополнительно усовершенствована конструкция лопастей 82 ротора 8, в которой центральная втулка 81 ротора 8 имеет расположенное с ее наружной стороны по меньшей мере одно концентрическое соединительное кольцо 83, между соединительным кольцом 83 и центральной втулкой 81 установлено множество лопастей 82, а между соединительным кольцом 83 и кожухом 84 установлено другое множество лопастей 82. Число лопастей 82, установленных между соединительным кольцом 83 и центральной втулкой 81, меньше числа лопастей 82, установленных между соединительным кольцом 83 и кожухом 84. Лопасти 82 между соединительным кольцом 83 и кожухом 84 служат для увеличения крутящего момента ротора 8 без воздействия на расход входящего воздушного потока (также называемый толщиной) с целью увеличения частоты вращения ротора 8 и повышения эффективности выработки энергии. Кроме того, кожух 84 может иметь форму любого из кожухов 33, 63, 73, проиллюстрированных на фиг.3-12, такую как у расширяющегося кожуха 33, обычного кожуха 63 или сужающегося-расширяющегося кожуха 73, при этом кожух 84 соединен с наружным комплектом лопастей 82 с целью увеличения скорости воздушного потока и повышения эффективности выработки энергии. Как показано на фиг.15 и 16, автор изобретения сравнил работу обычного ротора, ротора с расширяющимся кожухом и ротора с многоступенчатыми лопастями и определил зависимость крутящий момент-частота вращения и зависимость кпд-частота вращения с целью доказать различие между настоящим изобретением и уровнем техники и повышенную эффективность, которую обеспечивает настоящее изобретение.
1
2
3
3
2
1
Как показано на фиг.15, L означает кривую крутящий момент - частота вращения для обычного ротора, L означает кривую крутящий момент-частота вращения для ротора с расширяющимся кожухом, а L означает кривую крутящий момент-частота вращения для ротора с многоступенчатыми лопастями, поскольку между крутящим момент и угловым моментом существует соответствующая зависимость, определяющая вращение ротора. Когда частота вращения равна нолю (0), генерируемый крутящий момент называют тормозным моментом (чем он больше, тем лучше). Как показывает сравнение этих кривых, раньше всех своей вершины достигает кривая L (чем раньше, тем лучше), а затем последовательно кривая L и кривая L. Видно, что максимальная величина крутящего момента согласно настоящему изобретению достигается при меньшей частоте вращения и, следовательно, при малой частоте вращения можно быстро обеспечить хороший угловой момент и тем самым отличную эффективность выработки энергии.
4
5
6
Кроме того, как показано на фиг.16, L означает кривую кпд-частота вращения для обычного ротора, L означает кривую кпд-частота вращения для ротора с расширяющимся кожухом, a L означает кривую кпд-частота вращения для ротора с многоступенчатыми лопастями. Эффективность (CP) рассчитывают согласно следующему уравнению:
в котором τ означает крутящий момент, ω означает угловую скорость, Р означает энергию, ρ означает плотность воздуха, А означает площадь поперечного сечения ротора, а V означает скорость воздушного потока.
Согласно приведенному выше уравнению можно рассчитать кривую эффективности для каждого ротора. Максимальная эффективность преобразования энергии ветра в механическую энергию составляет у обычного ротора 0,593, при этом она задана пределом Бетца и может быть рассчитана путем его умножения на коэффициент мощности. Как показано на чертежах, эффективность, обеспечиваемая в настоящем изобретении, превышает эффективность обычных методик. Иными словами, применение настоящего изобретения для выработки энергии является более эффективным.
Итак, настоящее изобретение имеет следующие преимущества.
(1) Как показано на фиг.3-6, предложенный в настоящем изобретении расширяющийся кожух 33 использует эффект расширения воздушного потока для увеличения скорости воздушного потока на обращенных к ветру поверхностях лопастей 32, чтобы тем самым повысить эффективность выработки энергии.
(2) Как показано на фиг.7-9, предложенный в настоящем изобретении сужающийся кожух 63 концентрируют воздушные потоки по центру, увеличивая скорость воздушного потока на обращенных к ветру поверхностях лопастей 62 и тем самым повышая эффективность выработки энергии.
(3) Как показано на фиг.10-12, предложенный в настоящем изобретении сужающийся-расширяющийся кожух 73 способен концентрировать воздушные потоки по центру, обеспечивая первую стадию ускорения, и дополнительно использует эффект расширения, обеспечивая вторую стадию ускорения, в результате чего используется эффект двойного ускорения для увеличения силы, приводящей в действие лопасти 72 и тем самым повышения эффективности выработки энергии.
(4) Кроме того, как показано на фиг.3-12, поскольку предложенные в настоящем изобретении кожухи 33, 63, 73 различных форм вращаются синхронно с лопастями 32, 62, 72, не происходит разрушение воздушного потока и может быть ослаблен шум, возникающий при работе.
(5) Как показано на фиг.13 и 14, предложенный в настоящем изобретении ротор 8 с многоступенчатыми лопастями имеет по меньшей мере одно установленное внутри соединительное кольцо 83, при этом лопасти 82 расположены соответственно между соединительным кольцом 83 и кожухом 84 и между соединительным кольцом 83 и центральной втулкой 81, за счет чего без воздействия на расход входящего воздушного потока может быть увеличен крутящий момент ротора 1 и обеспечено ускорение вращения ротора 1, что также повышает эффективность выработки энергии.